La estructura básica del láser se ilustra en la figura 1 y consta de los siguientes componentes:
La producción de luz láser requiere un medio activo adecuado, que puede ser un gas, un líquido, un sólido o un semiconductor. En este medio se puede lograr la inversión de población para crear las condiciones necesarias para generar luz láser. La existencia de niveles de energía metaestables facilita enormemente la inversión de población.
Hay casi mil tipos de medios activos disponibles, capaces de producir longitudes de onda láser que van del ultravioleta al infrarrojo lejano, cubriendo un amplio espectro.
Como corazón del láser, el medio activo está formado por partículas activadoras (normalmente metales) y una matriz. La estructura de niveles de energía de las partículas activadoras determina las características espectrales y la vida útil de fluorescencia del láser, mientras que la matriz determina principalmente las propiedades físicas y químicas del medio activo.
Los láseres pueden dividirse en sistemas de tres niveles (como los láseres de rubí) y sistemas de cuatro niveles (como los láseres Nd:YAG) en función de la estructura de niveles de energía de las partículas activadoras. Las formas más comunes del medio activo son la cilíndrica (la más utilizada), la plana, la de disco y la tubular.
Para lograr la inversión de la población en el medio activo, los átomos deben excitarse de una determinada manera para aumentar el número de partículas en los niveles de energía superiores. La salida continua del láser requiere un "bombeo" constante para mantener una mayor población de partículas en el nivel de energía superior que en el inferior, por lo que la fuente de bombeo externa también se denomina fuente de bombeo.
La fuente de bombeo proporciona energía para invertir la población entre los niveles de alta y baja energía, siendo el bombeo óptico el principal método utilizado en la actualidad. La fuente de bombeo debe cumplir dos condiciones básicas: debe tener una alta eficacia luminosa y sus características espectrales deben coincidir con el espectro de absorción del medio activo. Las fuentes de bombeo más comunes son las lámparas de descarga de gas inerte, la energía solar y los láseres de diodo.
Las lámparas de descarga de gas inerte son las fuentes de bombeo más utilizadas. El bombeo por energía solar se utiliza a menudo para dispositivos de baja potencia, especialmente pequeños láseres en aplicaciones espaciales que pueden utilizar la energía solar como fuente de energía permanente. El bombeo por diodos representa la dirección futura de los láseres de estado sólido, ya que combina muchas ventajas y se está convirtiendo en uno de los láseres de más rápido desarrollo.
Los métodos de bombeo de diodos pueden dividirse en dos tipos: bombeo transversal (bombeo en el extremo con incidencia coaxial) y bombeo longitudinal (bombeo lateral con incidencia vertical).
Los láseres de estado sólido bombeados por diodos presentan numerosas ventajas, como una larga vida útil, una buena estabilidad de frecuencia y una distorsión óptica térmica mínima, siendo la ventaja más destacada la alta eficacia de bombeo debida a la correspondencia precisa entre la longitud de onda de la luz de bombeo y el espectro de absorción del medio activo.
La cavidad de enfoque cumple dos funciones: acopla eficazmente la fuente de bombeo con el medio activo y determina la distribución de la densidad de la luz de bombeo en el medio activo, afectando así a la uniformidad, divergencia y distorsión óptica del haz de salida.
Dado que tanto el medio activo como la fuente de bombeo se instalan dentro de la cavidad de enfoque, su calidad repercute directamente en la eficacia y el rendimiento de la bomba. Las cavidades de enfoque cilíndricas elípticas son las más utilizadas en los pequeños láseres de estado sólido.
El resonador óptico consiste esencialmente en dos espejos altamente reflectantes colocados frente a frente en los extremos del láser. Uno de los espejos es totalmente reflectante, mientras que el otro lo es parcialmente, lo que permite que la mayor parte de la luz se refleje y que una pequeña cantidad se transmita al exterior, produciendo luz láser. La luz reflejada de nuevo en el medio activo sigue induciendo nuevas emisiones estimuladas, amplificando la luz.
La luz oscila de un lado a otro dentro del resonador, lo que provoca una reacción en cadena y una amplificación tipo avalancha, cuyo resultado es la emisión de una intensa luz láser por el extremo del espejo parcialmente reflectante.
El resonador óptico no sólo proporciona retroalimentación óptica para mantener la oscilación continua del láser y la emisión estimulada, sino que también restringe la dirección y la frecuencia del haz de luz oscilante para garantizar la alta monocromaticidad y la alta directividad del láser de salida. El resonador óptico más sencillo y utilizado para los láseres de estado sólido consiste en dos espejos planos (o esféricos) enfrentados.
Los sistemas de refrigeración y filtrado son dispositivos auxiliares indispensables para un láser. Los láseres generan mucho calor durante su funcionamiento, por lo que necesitan medidas de refrigeración. El sistema de refrigeración enfría principalmente el medio activo del láser, la fuente de bombeo y la cavidad de enfoque para garantizar el funcionamiento normal del láser y proteger el equipo.
Los métodos de refrigeración incluyen líquido, gas y conducción, siendo la refrigeración líquida la más utilizada. Además, para obtener un haz láser de alta monocromaticidad, es necesario filtrar la salida. El sistema de filtrado puede eliminar la mayor parte de la luz de bombeo y otras luces parásitas, dando como resultado un haz láser de salida de alta calidad monocromática.
Tomemos el láser de rubí como ejemplo para explicar el principio de funcionamiento de un láser. El medio activo es una barra de rubí. El rubí es un cristal de óxido de aluminio dopado con una pequeña cantidad de iones de cromo trivalente, normalmente una proporción de masa de óxido de cromo de aproximadamente 0,05%. Como los iones de cromo absorben la luz verde y azul de la luz blanca, la gema aparece de color rosa.
El rubí utilizado por Maiman en el primer láser inventado en 1960 era una varilla cilíndrica de 0,8 cm de diámetro y unos 8 cm de longitud. Sus extremos son un par de espejos planos paralelos, uno recubierto con una película totalmente reflectante y el otro con un índice de transmisión 10%, que permiten el paso del láser.
En el láser de rubí, se utiliza una lámpara de xenón de alta presión como "bomba" para excitar los iones de cromo hasta el estado de excitación E3. Electrones bombeados a E3 transición rápida (en unos 10-8 segundos) a E2 sin radiación. E2 es un nivel de energía metaestable en el que la probabilidad de emisión espontánea a E1 es muy baja, con una vida útil de hasta 10-3 segundos, lo que permite que las partículas permanezcan durante un periodo prolongado.
En consecuencia, las partículas se acumulan en E2logrando una inversión de población entre los niveles de energía E2 y E1. La emisión estimulada de luz de E2 a E1 es un láser rojo con una longitud de onda de 694,3 nm. El láser pulsado obtenido de la lámpara de xenón pulsada dura menos de 1 ms por pulso de luz, con una energía de cada pulso superior a 10 J y una potencia de cada láser pulsado capaz de superar los 10 kW.
El proceso por el que los iones de cromo se excitan y emiten luz láser implica tres niveles de energía, por lo que se denomina sistema de tres niveles. En un sistema de tres niveles, puesto que el nivel de energía más bajo E1 es el estado básico y suele acumular un gran número de átomos, lograr la inversión de la población requiere una cantidad considerable de excitación.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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