El principio de los láseres se basa en la emisión estimulada, un concepto propuesto por primera vez por Einstein a principios del siglo XX. El proceso principal es el siguiente:
- Transición electrónica: los átomos o moléculas en el medio de trabajo ganan energía bajo la influencia de una fuente de bombeo (como energía eléctrica, energía luminosa, etc.), pasando de un nivel de energía bajo a un nivel de energía alto, entrando en un estado excitado. Debido a que el nivel alto de energía es inestable, los átomos o moléculas vuelven espontáneamente al nivel bajo de energía, liberando fotones en el proceso.
- Reflexión de la cavidad resonante: estos fotones se reflejan hacia adelante y hacia atrás dentro de la cavidad resonante, interactuando con otros átomos o moléculas en estado excitado en el medio de trabajo, lo que desencadena una emisión más estimulada. Esto hace que la cantidad de fotones aumente abruptamente, lo que da como resultado una luz láser de alta intensidad, altamente monocromática y extremadamente direccional.
El láser consta principalmente de tres partes: el medio de trabajo, la fuente de bombeo y la cavidad resonante.
- Medio de trabajo: Esta es la base de la generación láser. Está compuesto por un medio activo que permite la inversión de poblaciones, como rubí, vidrio de neodimio o gas dióxido de carbono.
- Fuente de bombeo: Proporciona energía al medio de trabajo, induciendo la emisión estimulada. Los métodos comunes incluyen excitación eléctrica y excitación óptica.
- Cavidad resonante: compuesta por espejos de reflexión interna total y espejos de reflexión interna parcial, proporciona retroalimentación y un entorno oscilante para los fotones, permitiéndoles viajar hacia adelante y hacia atrás varias veces dentro de la cavidad, mejorando el efecto de emisión estimulada y, en última instancia, formando una salida láser.
La principal diferencia entre los láseres monomodo y multimodo radica en la cantidad de modos en el haz de salida.
- Láser monomodo: Soporta sólo un modo de propagación de la luz. Tiene una alta calidad de haz, buena direccionalidad y coherencia, un punto de haz circular estándar y un pequeño ángulo de divergencia. Es adecuado para aplicaciones de alta precisión como interferómetros láser y comunicación por fibra óptica.
- Láser multimodo: Admite múltiples modos de propagación de la luz. Tiene un gran ángulo de divergencia del haz de salida, una forma del haz y una distribución de intensidad complejas, y una longitud de coherencia más corta, pero una alta potencia de salida. Es adecuado para aplicaciones menos exigentes, como procesamiento de materiales e iluminación láser.
Los láseres se llaman rayos gaussianos porque su distribución de intensidad a lo largo de su sección transversal se ajusta aproximadamente a una función gaussiana, lo que significa que la intensidad es alta en el centro y disminuye gradualmente hacia los bordes, mostrando una curva en forma de campana.
Esta característica de distribución surge de la autorreproducibilidad del láser durante su formación dentro de la cavidad resonante; incluso después de la difracción y propagación, su distribución de intensidad mantiene una forma gaussiana. Los haces gaussianos poseen un excelente rendimiento de enfoque y monocromaticidad, lo que reduce eficazmente la competencia entre modos y mejora la calidad del haz, lo que los hace ampliamente utilizados en el diseño de sistemas ópticos, procesamiento láser y otros campos.
Clasificación de láser Los láseres se pueden clasificar de muchas formas, una de las cuales es según el medio de trabajo:
- Láseres de estado sólido: utilizan materiales sólidos como medio de trabajo, como los láseres de granate de aluminio dopado con neodimio (Nd:YAG). Estos láseres suelen tener una alta potencia de salida y buena estabilidad, y se utilizan ampliamente en procesamiento industrial, medicina e investigación científica.
- Láseres de gas: Utilizan gases como medio de trabajo, como los láseres de helio-neón (He-Ne) y los láseres de dióxido de carbono (CO2). Los láseres de gas tienen amplias aplicaciones en las regiones espectrales visible e infrarroja.
- Láseres líquidos: también conocidos como láseres de tinte, utilizan soluciones de tinte orgánico como medio de trabajo. Su capacidad de sintonización de longitud de onda les brinda ventajas únicas en la investigación científica y la biomedicina.
- Láseres semiconductores: utilizan materiales semiconductores como medio de trabajo, como los diodos láser. Estos láseres ofrecen ventajas en miniaturización e integración y se utilizan ampliamente en comunicaciones ópticas, impresión láser y otros campos.
- Láseres de electrones libres: utilizan haces de electrones libres de alta velocidad como medio de trabajo. Ofrecen una amplia gama de potencias de salida y longitudes de onda, lo que los hace adecuados para la física de altas energías y la espectroscopia de rayos X.
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