¿Cuál es el principio y el funcionamiento de los láseres?

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A excepción de los láseres de electrones libres, el principio básico de funcionamiento de todos los tipos de láseres es el mismo. Las condiciones esenciales para la generación de láser son la inversión del número de partículas y la ganancia mayor que la pérdida, por lo que los componentes esenciales del dispositivo incluyen una fuente de excitación (o bombeo) y un medio de trabajo con un nivel de energía metaestable. La excitación es la excitación del medio de trabajo a un estado excitado después de absorber energía externa, creando condiciones para la realización y mantenimiento de la inversión de la población de partículas. Los métodos de excitación incluyen excitación óptica, excitación eléctrica, excitación química y excitación por energía nuclear.

El nivel de energía metaestable del medio de trabajo hace que la radiación estimulada sea dominante, logrando así la amplificación de la luz. El componente común en el láser es el resonador, pero el resonador (ver resonador óptico) no es una parte esencial. El resonador puede hacer que los fotones en la cavidad tengan una frecuencia, una fase y una dirección de funcionamiento constantes, de modo que el láser tenga una buena direccionalidad y coherencia. Además, puede acortar muy bien la longitud de la sustancia de trabajo y también puede ajustar el modo de la luz láser generada cambiando la longitud de la cavidad resonante (es decir, selección de modo), por lo que generalmente los láseres tienen una cavidad resonante.

Un láser generalmente consta de tres partes:

1. Sustancia de trabajo:el núcleo del láser, solo la sustancia que puede lograr la transición del nivel de energía puede usarse como sustancia de trabajo del láser.

2. Energía alentadora:Su función es dar energía a la sustancia de trabajo y excitar los átomos desde un nivel de energía bajo a un nivel de energía externo alto. Por lo general, puede haber energía luminosa, energía térmica, energía eléctrica, energía química, etc.

3. Cavidad resonante óptica:La primera función es hacer que continúe la radiación estimulada de la sustancia de trabajo; el segundo es acelerar continuamente los fotones; el tercero es limitar la dirección de salida del láser. El resonador óptico más simple consta de dos espejos paralelos colocados en ambos extremos de un láser HeNe. Cuando algunos átomos de neón hacen la transición entre los dos niveles de energía que han logrado la inversión del número de partículas e irradian fotones paralelos a la dirección del láser, estos fotones se reflejarán de un lado a otro entre los dos espejos, provocando así una radiación estimulada de forma continua. Se produce un láser bastante potente.

La luz pura y espectralmente estable emitida por los láseres se puede utilizar de muchas maneras

Rubí Láser:El láser original era un rubí que se excitaba con una bombilla de luz intermitente brillante, y el láser producido era un "láser pulsado" en lugar de un haz continuo y estable. La calidad de la velocidad de la luz producida por este láser es fundamentalmente diferente del láser producido por los diodos láser que usamos hoy. Esta intensa emisión de luz, que dura solo unos pocos nanosegundos, es ideal para capturar objetos que se mueven fácilmente, como retratos holográficos de personas. El primer retrato con láser nació en 1967. Los láseres de rubí requieren rubíes costosos y producen solo breves pulsos de luz.

Láser He-Ne:En 1960, los científicos Ali Javan, William R.Brennet Jr. y Donald Herriot diseñaron el láser He-Ne. Fue el primer láser de gas, un tipo de equipo muy utilizado por los fotógrafos holográficos. Dos ventajas: 1. Se genera una salida láser continua; 2. No se necesita una bombilla de flash para la excitación de la luz, y la electricidad excita el gas.

Diodo láser:El diodo láser es uno de los láseres más utilizados en la actualidad. El fenómeno de recombinación espontánea de electrones y huecos a ambos lados de la unión PN del diodo para emitir luz se denomina emisión espontánea. Cuando los fotones generados por emisión espontánea atraviesan el semiconductor, una vez que pasan cerca de los pares electrón-hueco emitidos, pueden ser estimulados para recombinarse para generar nuevos fotones, los cuales inducen la recombinación de portadores excitados para emitir nuevos fotones El fenómeno se denomina estimulado emisión.

Si la corriente inyectada es lo suficientemente grande, se formará la distribución de portadores opuesta al estado de equilibrio térmico, es decir, la población de partículas se invierte. Cuando se invierte una gran cantidad de portadores en la capa activa, una pequeña cantidad de fotones generados por radiación espontánea generará radiación inducida debido a la reflexión recíproca en ambos extremos del resonador, lo que resultará en una retroalimentación positiva de resonancia selectiva en frecuencia, o una ganancia para una determinada frecuencia. Cuando la ganancia es mayor que la pérdida por absorción, se puede emitir luz coherente con buenas líneas espectrales desde la unión PN—láser. La invención de los diodos láser ha hecho que las aplicaciones láser se popularicen rápidamente, y varias aplicaciones, como el escaneo de información, la comunicación por fibra óptica, el rango láser, el radar láser, los discos láser, los punteros láser, el cobro de pagos en supermercados, etc., se desarrollan y popularizan constantemente.

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