El primer principio del láser, cuya física se basaba en la ley de radiación de Planck, fue fundamentado teóricamente por Einstein en 1917. Describió la absorción, la radiación electromagnética espontánea y estimulada utilizando coeficientes de probabilidad (coeficientes de Einstein).
Pioneros
Theodor Meiman fue el primero en demostrar el principio de funcionamiento de un láser de rubí basado en el bombeo óptico de rubí sintético con una lámpara de destellos, que producía radiación coherente pulsada con una longitud de onda de 694 nm.
En 1960, los científicos iraníes Javan y Bennett crearon el primer generador cuántico de gas usando una mezcla 1:10 de gases He y Ne.
En 1962, RN Hall demostró el primer láser de diodo de arseniuro de galio (GaAs) que emite a una longitud de onda de 850 nm. Más tarde ese año, Nick Golonyak desarrolló el primer generador cuántico semiconductor de luz visible.
Diseño y principio de funcionamiento de los láseres
Cada sistema láser consta de un medio activo colocadoentre un par de espejos ópticamente paralelos y altamente reflectantes, uno de los cuales es translúcido, y una fuente de energía para su bombeo. El medio de amplificación puede ser un sólido, líquido o gas, que tiene la propiedad de amplificar la amplitud de una onda luminosa que lo atraviesa por emisión estimulada con bombeo eléctrico u óptico. Una sustancia se coloca entre un par de espejos de tal manera que la luz reflejada en ellos la atraviesa cada vez y, habiendo alcanzado una amplificación significativa, penetra en un espejo translúcido.
Entornos de dos niveles
Consideremos el principio de funcionamiento de un láser con un medio activo, cuyos átomos tienen solo dos niveles de energía: excitado E2 y básico E1 . Si los átomos se excitan al estado E2 mediante cualquier mecanismo de bombeo (óptico, descarga eléctrica, transmisión de corriente o bombardeo de electrones), luego de unos nanosegundos volverán a la posición base, emitiendo fotones. de energía hν=E 2 - E1. Según la teoría de Einstein, la emisión se produce de dos formas distintas: o es inducida por un fotón, o se produce de forma espontánea. En el primer caso se produce emisión estimulada y en el segundo, emisión espontánea. En el equilibrio térmico, la probabilidad de emisión estimulada es mucho menor que la emisión espontánea (1:1033), por lo que la mayoría de las fuentes de luz convencionales son incoherentes y la generación de láser es posible en condiciones distintas a las térmicas. equilibrio.
Incluso con muy fuertebombeo, la población de los sistemas de dos niveles solo puede igualarse. Por lo tanto, se requieren sistemas de tres o cuatro niveles para lograr la inversión de población mediante métodos de bombeo ópticos u otros.
Sistemas multinivel
¿Cuál es el principio del láser de tres niveles? La irradiación con luz intensa de frecuencia ν02 bombea una gran cantidad de átomos desde el nivel de energía más bajo E0 hasta el nivel de energía más alto E 2. La transición no radiativa de átomos de E2 a E1 establece una inversión de población entre E1 y E 0 , que en la práctica solo es posible cuando los átomos están en un estado metaestable durante mucho tiempo E1, y la transición de E2a E 1 va rápido. El principio de funcionamiento de un láser de tres niveles es cumplir estas condiciones, por lo que entre E0 y E1 se logra una inversión de población y los fotones son amplificados por energía E 1-E0 emisión inducida. Un nivel más amplio de E2 podría aumentar el rango de absorción de la longitud de onda para un bombeo más eficiente, lo que resultaría en un aumento de la emisión estimulada.
El sistema de tres niveles requiere una potencia de bombeo muy alta, ya que el nivel más bajo que interviene en la generación es el de base. En este caso, para que ocurra la inversión de población, se debe bombear más de la mitad del número total de átomos al estado E1. Al hacerlo, se desperdicia energía. La potencia de bombeo puede ser significativamentedisminuir si el nivel de generación inferior no es el base, lo que requiere al menos un sistema de cuatro niveles.
Según la naturaleza de la sustancia activa, los láseres se dividen en tres categorías principales, a saber, sólidos, líquidos y gaseosos. Desde 1958, cuando se observó por primera vez el láser en un cristal de rubí, los científicos e investigadores han estudiado una amplia variedad de materiales en cada categoría.
Láser de estado sólido
El principio de funcionamiento se basa en el uso de un medio activo, que se forma añadiendo un grupo de metales de transición a la red cristalina aislante (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2, etc.), iones de tierras raras (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3, etc.), y actínidos como U+3. Los niveles de energía de los iones son responsables únicamente de la generación. Las propiedades físicas del material base, como la conductividad térmica y la expansión térmica, son esenciales para el funcionamiento eficiente del láser. La disposición de los átomos de la red alrededor de un ion dopado cambia sus niveles de energía. Se logran diferentes longitudes de onda de generación en el medio activo dopando diferentes materiales con el mismo ion.
Láser de holmio
Un ejemplo de un láser de estado sólido es un generador cuántico, en el que el holmio reemplaza un átomo de la sustancia base de la red cristalina. Ho:YAG es uno de los mejores materiales de generación. El principio de funcionamiento de un láser de holmio es que el granate de itrio y aluminio está dopado con iones de holmio, bombeado ópticamente por una lámpara de destellos y emite a una longitud de onda de 2097 nm en el rango IR, que es bien absorbido por los tejidos. Este láser se utiliza para operaciones en las articulaciones, en el tratamiento de dientes, para la evaporación de células cancerosas, cálculos renales y biliares.
Generador cuántico de semiconductores
Los láseres de pozo cuántico son económicos, se pueden producir en masa y se pueden escalar fácilmente. El principio de funcionamiento de un láser semiconductor se basa en el uso de un diodo de unión p-n, que produce luz de una determinada longitud de onda mediante la recombinación de portadores con una polarización positiva, similar a los LED. Los LED emiten espontáneamente y los diodos láser son forzados. Para cumplir la condición de inversión de población, la corriente de operación debe exceder el valor umbral. El medio activo en un diodo semiconductor tiene la forma de una región de conexión de dos capas bidimensionales.
El principio de funcionamiento de este tipo de láser es que no se requiere un espejo externo para mantener las oscilaciones. La reflectividad creada por el índice de refracción de las capas y la reflexión interna del medio activo es suficiente para este propósito. Las superficies de los extremos de los diodos están astilladas, lo que garantiza que las superficies reflectantes sean paralelas.
Una conexión formada por materiales semiconductores del mismo tipo se llama homounión, y una conexión creada por la conexión de dos diferentes se llamaheterounión.
Los semiconductores de tipo P y n con alta densidad de portadores forman una unión p-n con una capa de agotamiento muy delgada (≈1 µm).
Láser de gas
El principio de funcionamiento y el uso de este tipo de láser le permite crear dispositivos de casi cualquier potencia (desde milivatios hasta megavatios) y longitudes de onda (desde UV hasta IR) y le permite trabajar en modos pulsados y continuos.. Según la naturaleza de los medios activos, existen tres tipos de generadores cuánticos de gas: atómicos, iónicos y moleculares.
La mayoría de los láseres de gas se bombean con una descarga eléctrica. Los electrones en el tubo de descarga son acelerados por el campo eléctrico entre los electrodos. Chocan con átomos, iones o moléculas del medio activo e inducen una transición a niveles de energía más altos para lograr un estado poblacional de inversión y emisión estimulada.
Láser Molecular
El principio de funcionamiento de un láser se basa en el hecho de que, a diferencia de los átomos e iones aislados, las moléculas en los generadores cuánticos atómicos y de iones tienen bandas de energía anchas de niveles de energía discretos. Además, cada nivel de energía electrónica tiene una gran cantidad de niveles vibratorios, y estos, a su vez, tienen varios niveles rotacionales.
La energía entre los niveles de energía electrónica está en las regiones ultravioleta y visible del espectro, mientras que entre los niveles de vibración-rotación, en el IR lejano y cercanoáreas Por lo tanto, la mayoría de los generadores cuánticos moleculares operan en las regiones del infrarrojo cercano o lejano.
Láseres excimer
Los excímeros son moléculas como ArF, KrF, XeCl, que tienen un estado fundamental separado y son estables en el primer nivel. El principio de funcionamiento del láser es el siguiente. Por regla general, el número de moléculas en el estado fundamental es pequeño, por lo que no es posible el bombeo directo desde el estado fundamental. Las moléculas se forman en el primer estado electrónico excitado mediante la combinación de haluros de alta energía con gases inertes. La población de la inversión se logra fácilmente, ya que el número de moléculas en el nivel base es demasiado pequeño en comparación con el excitado. El principio de funcionamiento de un láser, en resumen, es la transición de un estado electrónico excitado ligado a un estado fundamental disociativo. La población en el estado fundamental siempre permanece en un nivel bajo, porque las moléculas en este punto se disocian en átomos.
El dispositivo y principio de funcionamiento de los láseres es que el tubo de descarga se llena con una mezcla de haluro (F2) y gas de tierras raras (Ar). Los electrones que contiene se disocian e ionizan moléculas de haluro y crean iones cargados negativamente. Los iones positivos Ar+ y los negativos F- reaccionan y producen moléculas de ArF en el primer estado ligado excitado con su posterior transición al estado de base repulsiva y generación de radiación coherente. El láser excimer, cuyo principio de funcionamiento y aplicación estamos considerando ahora, se puede utilizar para bombearmedio activo sobre colorantes.
Láser líquido
En comparación con los sólidos, los líquidos son más homogéneos y tienen una mayor densidad de átomos activos que los gases. Además de esto, son fáciles de fabricar, permiten una fácil disipación del calor y se pueden reemplazar fácilmente. El principio de funcionamiento del láser es utilizar colorantes orgánicos como medio activo, como DCM (4-dicianometileno-2-metil-6-p-dimetilaminoestiril-4H-pirano), rodamina, estiril, LDS, cumarina, estilbeno, etc…, disuelto en un disolvente apropiado. Una solución de moléculas de colorante es excitada por radiación cuya longitud de onda tiene un buen coeficiente de absorción. El principio de funcionamiento del láser, en definitiva, es generar a una longitud de onda mayor, denominada fluorescencia. La diferencia entre la energía absorbida y los fotones emitidos es utilizada por transiciones de energía no radiativa y calienta el sistema.
La banda de fluorescencia más amplia de los generadores cuánticos líquidos tiene una característica única: el ajuste de la longitud de onda. El principio de funcionamiento y el uso de este tipo de láser como fuente de luz sintonizable y coherente es cada vez más importante en espectroscopia, holografía y aplicaciones biomédicas.
Recientemente, se han utilizado generadores cuánticos de tinte para la separación de isótopos. En este caso, el láser excita selectivamente a uno de ellos, incitándolos a entrar en una reacción química.
