El medio láser activo (también llamado medio de ganancia o medio láser ) es la fuente de ganancia óptica dentro de un láser . La ganancia resulta de la emisión estimulada de fotones a través de transiciones electrónicas o moleculares a un estado de menor energía desde un estado de mayor energía previamente poblado por una fuente de bombeo .
Ejemplos de medios láser activos incluyen:
- Ciertos cristales , típicamente dopados con iones de tierras raras (por ejemplo , neodimio , iterbio o erbio ) o iones de metales de transición ( titanio o cromo ); más a menudo granate de itrio aluminio ( Y 3 Al 5 O 12 ), ortovanadato de itrio (YVO 4 ) o zafiro (Al 2 O 3 ); [1] y con poca frecuencia bromuro de cadmio de cesio ( Cs CdBr 3 )
- Vidrios , por ejemplo vidrios de silicato o fosfato, dopados con iones activados por láser; [2]
- Gases , por ejemplo, mezclas de helio y neón (HeNe), nitrógeno , argón , monóxido de carbono , dióxido de carbono o vapores metálicos; [3]
- Semiconductores , por ejemplo, arseniuro de galio (GaAs), arseniuro de galio indio (InGaAs) o nitruro de galio (GaN). [4]
- Líquidos, en forma de soluciones de tinte como se utilizan en láseres de tinte . [5] [6]
Para disparar un láser, el medio de ganancia activa debe estar en una distribución de energía no térmica conocida como inversión de población . La preparación de este estado requiere una fuente de energía externa y se conoce como bombeo láser . El bombeo puede realizarse con corrientes eléctricas (por ejemplo, semiconductores o gases a través de descargas de alto voltaje ) o con luz, generada por lámparas de descarga o por otros láseres ( láseres semiconductores ). Medios de ganancia más exóticas pueden ser bombeados por reacciones químicas , de fisión nuclear , [7] o con alta energía haces de electrones . [8]
Ejemplo de un modelo de ganancia media
No existe un modelo universal válido para todos los tipos de láser. [9] El modelo más simple incluye dos sistemas de subniveles: superior e inferior. Dentro de cada sistema de subniveles, las transiciones rápidas aseguran que el equilibrio térmico se alcance rápidamente, lo que lleva a las estadísticas de Maxwell-Boltzmann de excitaciones entre los subniveles de cada sistema (figura 1) . Se supone que el nivel superior es metaestable . Además, la ganancia y el índice de refracción se suponen independientes de una forma particular de excitación.
Para un buen rendimiento del medio de ganancia, la separación entre subniveles debe ser mayor que la temperatura de trabajo; luego, a la frecuencia de bombeo, la absorción domina.
En el caso de la amplificación de señales ópticas, la frecuencia láser se denomina frecuencia de señal. Sin embargo, el mismo término se usa incluso en los osciladores láser , cuando se usa radiación amplificada para transferir energía en lugar de información. El siguiente modelo parece funcionar bien para la mayoría de los láseres de estado sólido con bombeo óptico .
Secciones cruzadas
El medio simple se puede caracterizar con secciones transversales efectivas de absorción y emisión a frecuencias y .
- Tengo ser concentración de centros activos en los láseres de estado sólido.
- Tengo ser concentración de centros activos en el estado fundamental.
- Tengo sea concentración de centros excitados.
- Tengo .
Las concentraciones relativas se pueden definir como y .
La tasa de transiciones de un centro activo desde el estado fundamental al estado excitado se puede expresar con y
La tasa de transiciones de regreso al estado fundamental se puede expresar con , dónde y son secciones transversales efectivas de absorción a las frecuencias de la señal y la bomba.
y son los mismos para la emisión estimulada;
es la tasa de decaimiento espontáneo del nivel superior.
Entonces, la ecuación cinética para poblaciones relativas se puede escribir de la siguiente manera:
,
Sin embargo, estas ecuaciones mantienen .
La absorcion a la frecuencia de la bomba y la ganancia en la frecuencia de la señal se puede escribir de la siguiente manera:
, .
Solución de estado estacionario
En muchos casos, el medio de ganancia funciona en un régimen de onda continua o cuasi-continuo , lo que hace que las derivadas temporales de las poblaciones sean insignificantes.
La solución de estado estable se puede escribir:
,
Las intensidades de saturación dinámica se pueden definir:
, .
La absorción en señal fuerte: .
La ganancia en bombeo fuerte: , dónde es determinante de la sección transversal.
La ganancia nunca excede el valor y la absorción nunca supera el valor .
A intensidades dadas , de la bomba y la señal, la ganancia y la absorción se pueden expresar de la siguiente manera:
, ,
dónde , , , .
Identidades
Tienen lugar las siguientes identidades [10] :,
El estado del medio de ganancia se puede caracterizar con un solo parámetro, como la población del nivel superior, la ganancia o la absorción.
Eficiencia del medio de ganancia
La eficiencia de un medio de ganancia se puede definir como.
Dentro del mismo modelo, la eficiencia se puede expresar de la siguiente manera: .
Para el funcionamiento eficiente, ambas intensidades, la bomba y la señal deben exceder sus intensidades de saturación; , y .
Las estimaciones anteriores son válidas para un medio lleno uniformemente con bomba y luz de señal. La quema de agujeros espaciales puede reducir ligeramente la eficiencia porque algunas regiones se bombean bien, pero la bomba no es retirada de manera eficiente por la señal en los nodos de interferencia de ondas contrapropagadas.
Ver también
- Inversión de la población
- Construcción láser
- Ciencia láser
- Lista de artículos láser
- Lista de tipos de láser
Referencias y notas
- ^ Hecht, Jeff. La guía láser: segunda edición. McGraw-Hill, 1992. (Capítulo 22)
- ↑ Hecht, Capítulo 22
- ↑ Hecht, Capítulos 7-15
- ↑ Hecht, Capítulos 18-21
- ^ FJ Duarte y LW Hillman (Eds.), Principios del láser de tinte (académico, Nueva York, 1990).
- ^ FP Schäfer (Ed.), Dye Lasers , 2ª edición (Springer-Verlag, Berlín, 1990).
- ^ McArthur, DA; Tollefsrud, PB (15 de febrero de 1975). "Observación de la acción del láser en gas CO excitado solo por fragmentos de fisión" . Letras de Física Aplicada . 26 (4): 187-190. doi : 10.1063 / 1.88110 .
- ^ Enciclopedia de física y tecnología láser
- ^ AESiegman (1986). Láseres . Libros universitarios de ciencia. ISBN 0-935702-11-3.
- ^ D. Kouznetsov; JFBisson; K.Takaichi; K.Ueda (2005). "Láser de estado sólido monomodo con cavidad inestable corta y ancha". JOSA B . 22 (8): 1605-1619. Código Bibliográfico : 2005JOSAB..22.1605K . doi : 10.1364 / JOSAB.22.001605 .
- [1] Acción láser A.saharn
- [2] Enciclopedia de física en línea [en ruso]
enlaces externos
- Obtenga la enciclopedia de medios de física y tecnología láser