7/26/2019 Elementos Bsicos de Un Lser

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Elementos bsicos de un lser [editar ]

Cavidad lser [editar ]

La cavidad ptica resonante , conocida tambin como cavidad lser , existe en la gran mayora de los dispositivoslser y sirve para mantener la luz circulando a travs del medio activo el mayor nmero de veces posible.Generalmente est compuesta de dos espe os dielctricos !ue permiten re"lectividades controladas !ue pueden sermuy altas para determinadas longitudes de onda .

#l espe o de alta re"lectividad re"le a cerca del $%% & de la luz !ue recibe y el espe o acoplador o de salida, unporcenta e ligeramente menor. #stos espe os pueden ser planos o con determinada curvatura, !ue cambia su rgimende estabilidad.

'egn el tipo de lser, estos espe os se pueden construir en soportes de vidrio o cristales independientes o en el casode algunos lseres de estado s(lido pueden construirse directamente en las caras del medio activo, disminuyendo lasnecesidades de alineaci(n posterior y las prdidas por re"lexi(n en las caras del medio activo.

)lgunos lseres de excmero o la mayora de los lser de nitr(geno , no utilizan una cavidad propiamente dic*a, enlugar de ello un s(lo espe o re"lector se utiliza para dirigir la luz *acia la apertura de salida. +tros lser como losconstruidos en microcavidades (pticas emplean "en(menos como la re"lexi(n total interna para con"inar la luz sinutilizar espe os.

Medio activo [editar ]

#l medio activo es el medio material donde se produce la ampli"icaci(n (ptica. -uede ser de muy diversos materiales

y es el !ue determina en mayor medida las propiedades de la luz lser, longitud de onda, emisi(n contnua o pulsada,potencia, etc.

#l medio activo es donde ocurren los procesos de excitaci(n electr(nica o de estados vibracionales/ mediante bombeode energa, emisi(n espontnea y emisi(n estimulada de radiaci(n. -ara !ue se d la condici(n lser, es necesario !uela ganancia (ptica del medio activo sea in"erior a las prdidas de la cavidad ms las prdidas del medio.

0ado !ue la ganancia ptica es el "actor limitante en la e"iciencia del lser, se tiende a buscar medios materiales !ue lamaximicen, minimizando las prdidas, es por esto !ue si bien casi cual!uier material puede utilizarse como medioactivo ,1 s(lo algunas decenas de materiales son utilizados e"icientemente para producir lseres.

2on muc*a di"erencia, los lseres ms abundantes en el mundo son los de semiconductor. -ero tambin son muycomunes los lseres de estado s(lido y en menos medida los de gas. +tros medios son utilizados principalmente eninvestigaci(n o en aplicaciones industriales o mdicas muy concretas.

Bombeo [editar ]

-ara !ue el medio activo pueda ampli"icar la radiaci(n, es necesario excitar sus niveles electr(nicos o vibracionales de

alguna manera. 2omnmente un *az de luz bombeo (ptico/ de una lmpara de descarga u otro lser o una corrienteelctrica bombeo elctrico/ son empleados para alimentar al medio activo con la energa necesaria.

#l bombeo ptico se utiliza *abitualmente en lseres de estado s(lido cr istales y vidrios/ y lseresde colorante l!uidos y algunos polmeros/ y el bombeo elctrico es el pre"erido en lseres de semiconductor y de gas.#n algunas raras ocasiones se utilizan otros es!uemas de bombeo !ue le dan su nombre, por e emplo a los lseres!umicos o lseres de bombeo nuclea r 3 !ue utilizan la energa de la "isi(n nuclear .

0ebido a las mltiples prdidas de energa en todos los procesos involucrados, la potencia de bombeo siempre esmayor a la potencia de emisi(n lser.

Mecanismos de la accin lser [editar ]

)nimaci(n !ue explica los principios de emisi(n estimulada y el lser

'i bien existen varios mecanismos !ue producen emisi(n lser, se describe el e emplo sencillo de un lser de cuatroniveles con bombeo (ptico continuo, como puede ser el lser de neodimio .

4iveles electr(nicos involucrados en la emisi(n lser de iones de neodimio trivalentes.

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Absorcin del bombeo y transiciones no radiactivas [editar ]

#n el estado inicial, la mayora de los electrones se encuentran en el #stado "undamental y son excitados mediante un*az de luz de bombeo !ue contiene energa en las bandas de absorci(n del neodimio. Los electrones excitados envarios niveles se desexcitan rpidamente de "orma no radiativa *acia un nivel metaestable, !ue en el caso del neodimioes el 56 789 donde permanece un tiempo relativamente largo, decayendo lentamente al nivel "undamental y al nivel 5:$$89.'i se cumplen ciertas condiciones en el material y la potencia de bombeo, es posible !ue se produzca la inversi(n depoblaci(n, esto es, !ue existan ms tomos excitados en el nivel 56 789 !ue los !ue estn en el nivel in"erior 5:$$89.

Emisin estimulada [editar ]

0esde el nivel metaestable 56 789, pueden desexcitarse espontneamente algunos electrones !ue producen una emisi(nde luz a $ %;5 nm. )lgunos de stos, se emiten en el ngulo correcto para re"le arse por los espe os de la cavidad unnmero elevado de veces. #stos "otones !ue se re"le an con el ngulo correcto pasan varias cerca de tomosexcitados de neodimio y producen la emisi(n estimulada de radiaci(n.

'i el medio activo se encuentra en la condici(n de inversi(n de poblaci(n y las prdidas de la cavidad son in"eriores ala ganancia del medio activo, ocurre !ue al re"le arse en las paredes de la cavidad se produce una ampli"icaci(n delprimer "ot(n !ue se emiti( espontneamente. 2omo la 2lase $, pero no seguros cuando se miran a travs de instrumentos (pticos como lupaso binoculares.

Clase 2 > Lseres visibles 5%% a %% nm/. Los re"le os de aversi(n protegen el o o aun!ue se utilicen coninstrumentos (pticos.

Clase 2M > 2omo la 2lase 9, pero no seguros cuando se utilizan instrumentos (pticos.

Clase 3R > Lseres cuya visi(n directa es potencialmente peligrosa pero el riesgo es menor y necesitanmenos re!uisitos de "abricaci(n y medidas de control !ue la 2lase 7?.

Clase 3B > La visi(n directa del *az es siempre peligrosa, mientras !ue la re"lexi(n di"usa es normalmentesegura.

Clase 4 > La exposici(n directa de o os y piel siempre es peligrosa y la re"lexi(n di"usa normalmente tambin.-ueden originar incendios y explosiones.

"#licaciones [editar ]

#l tama=o de los lseres es muy variable, desde los diodos lser microsc(picos arriba/ con numerosas aplicaciones,*asta el lser de cristales de neodimio con un tama=o similar al de un campo de "tbol, aba o/ usado para la "usi(n decon"inamiento inercial, investigaci(n sobre armas nucleares de destrucci(n masiva u otros experimentos "sicos en los!ue se presenten altas densidades de energa.

2uando se inventaron, en $3;%, los lseres se cali"icaron como @una soluci(n a la espera de un problemaA. 0esdeentonces, se *an vuelto omnipresentes y actualmente pueden encontrarse en miles de aplicaciones, en campos muyvariados, como la electr(nica de consumo, la tecnologa de la in"ormaci(n, la investigaci(n cient"ica, la medicina, laindustria y el sector militar.

#n muc*as aplicaciones, los bene"icios de los lseres se deben a sus propiedades "sicas, como la co*erencia, lamonocromaticidad y la capacidad de alcanzar potencias extremadamente altas. ) modo de e emplo, un *az lser muyco*erente puede en"ocarse por deba o de su lmite de di"racci(n !ue, a longitudes de onda visibles, correspondesolamente a unos pocos nan(metros . 2uando se en"oca un *az de lser potente en un punto, ste recibe una enormedensidad de energa .$% #sta propiedad permite al lser grabar gigabytes de in"ormaci(n en las microsc(picas cavidadesde un 20 , 0B0 o ?luCray .

Semiconductores [editar ]

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0iodos lser , es el emisor lser ms comn, utiliza una uni(n semiconductora pCn similar a la !ue se utilizaen los led pero en este caso est colocada en una cavidad re"lectora. 'on uti lizados en punteros lser, impresoraslser, grabadores8reproductores de 20, 0B0, ?luCDay, E0C0B0 y como energa de bombeo de muc*os lseresde estado s(lido.

Lser de punto cuntico , un tipo de lser semiconductor !ue usa puntos cunticos como el medio activo ensu regi(n de emisi(n de luz. 0ebido al denso con"inamiento de los portadores de carga en los puntos cunticos,

ex*iben una estructura electr(nica similar a la de los tomos.Los lseres "abricados con medios tan activos ex*iben un comportamiento bastante cercano a los lseres de gas,pero no presentan algunos de los inconvenientes asociados a los tradicionales lseres de semiconductoresbasados en medios activos s(lidos o de pozo cuntico.'e *an observado me oras en la modulaci(n de anc*o de banda, umbral de excitaci(n, ruido relativo deintensidad, "actor de realce de anc*o de lnea y estabilidad con la temperatura. La regi(n activa del punto cunticopuede dise=arse para operar con di"erentes longitudes de onda variando el tama=o y la composici(n del puntocuntico. #sto permite !ue este tipo de lser pueda "abricarse para operar en longitudes de onda imposibles deobtenerse con la tecnologa de lser semiconductor actual .$$

Lser de cascada cuntica comnmente llamado F2L en ingls/, "unciona con inyecci(n elctrica en unmaterial semiconductor estructurado. ?a o un determinado potencial elctrico, la inversi(n de poblaci(n esrealizada cuando niveles energticos de la banda de conducci(n se alinean de una "orma determinada. #stosniveles energticos se repiten de "orma peri(dica a lo largo de toda la estructura del lser "ormando, desde elpunto de vista energtico, una serie de @cascadasA o @escalones energticosA. n electr(n, al recorrer una a unaestas cascadas energticas, genera !uantos de luz, "otones, en cada uno de estos saltos energticos.

Gas [editar ]

Lser de EelioC4e(n, o lser Ee4e, es un tipo de lser de gas !ue utiliza como medio activo una mezclagaseosa de *elio y ne(n. Los lseres de *elioCne(n emiten, *abitualmente, a una longitud de onda de ;77 nm, luzvisible de color ro o.'on un tipo de lser *abitual en laboratorios docentes o en el caso de lseres estabilizados,en aplicaciones de metrologa de alta precisi(n.#l medio activo del lser es una mezcla de *elio y de ne(n contenida en un tubo de vidrio cerrado, en unaproporci(n de H>$ aproximadamente y a una presi(n relativamente ba a *abitualmente alrededor de 7%% -a/. Laenerga para el bombeo se consigue con una descarga elctrica de unos $.%%% B a travs de dos electrodossituados a cada extremo del tubo. La cavidad resonante suele estar "ormada por un espe o plano de altare"lectancia en un extremo y un espe o c(ncavo con una transmisi(n de un $& al otro extremo, separadosnormalmente unos $HC9% cm. Los lseres de *elioCne(n tienen unas potencias de salida de entre $ mI y $%%mI.La longitud de onda es de ;79.1$; nm en el aire, !ue corresponde a una longitud de onda de ;79,33$ nm en elvaco. #n cada caso particular, la longitud de onda obtenida se encuentra en un intervalo de %.%%9 nm alrededorde este valor, debido a las "luctuaciones trmicas !ue provocan pe!ue=as oscilaciones de las dimensiones de lacavidad.

Lser de di(xido de 2arbono, emite en el in"raro o le ano a $%.; Jm.

Lser de 4itr(geno , emite en el B a 77 nm normalmente en rgimen de operaci(n pulsado.

Lser excimer , el medio activo puede estar "ormado por diversas molculas excmeras de vida muy corta"ormadas por gases nobles y *al(genos, producen luz ultravioleta .

Lser de )rg(n, tiene varias lneas de emisi(n aun!ue las principales son H$5 nm y 511 nm.

Kateriales dopados con tierras raras>

Lser neodimioC )G , #l medio activo es un cristal )G ttrium )luminium Garnet/ dopadocon neodimio trivalente. #mite en el in"raro o cercano a $%;5 nm. #s "recuentemente convertido a verde H79nm utilizando un cristal no lineal !ue dobla la "recuencia como por e emplo, el M

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en modo pulsante y pasa a travs de dispositivos !uirrgicos de "ibra (ptica. 'e utiliza para !uitar manc*asde los dientes, vaporizar tumores cancergenos y des*acer clculos renales y vesiculares.

Lser de "ibra dopada con erbio, un tipo de lser "ormado de una "ibra (ptica especialmente"abricada, se utiliza principalmente como ampli"icador para comunicaciones (pticas de larga distancia.

Kateriales dopados con metales de transici(n>

Lser de za"iro dopado con titanio trivalente, es un lser sintonizable desde el ro o

*asta el in"rarro o cercano, entre ;H% y $$%% nm.

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como so n la a lta p otencia (y su ca pacidad p ara ser am plicada), la d ireccionalidad (em sin en forma d e"rayos"), la frecuencia de emisin bien denida (colo de la luz), la capacidad de emitirse en pulsos d e muycorta d uracin, y u na propiedad llamada c oherencia q ue signica que las o nda e lectromagnticas que formael haz de luz m archan "al paso".

La luz lser es intensa. No obstante, slo ciertos lseres son potentes. Aunque lo parezca, no se trata de una contradiccin. Laintensidad es una medida de la potencia por unidad de superficie, e incluso los lseres que emiten slo algunos milivatios soncapaces de producir una elevada intensidad en un rayo de un milmetro de dimetro. En realidad, su intensidad puede ser igual a lade la luz del sol. ualquier lmpara ordinaria emite una cantidad de luz muy superior a la de un peque!o lser, pero esparcida portoda la sala. Algunos lseres pueden producir muc"os miles de vatios continuamente# otros son capaces de producir billones devatios en un impulso cuya duracin es tan slo la mil millon$sima parte de un segundo.

Los "aces lser son estrec"os y no se dispersan como los dems "aces de luz. Esta cualidad se denomina direccionalidad. %esabe que ni la luz de un potente foco logra desplazarse muy le&os' si se enfoca "acia el firmamento, su rayo parece desvanecerse deinmediato. El "az de luz comienza a esparcirse en el memento en que sale del foco, "asta alcanzar tal grado de dispersin que llega a

perder su utilidad . %in embargo, se "an logrado refle&ar "aces lser de pocos vatios de potencia sobre la luna y su luz era todava losuficientemente brillante para verla desde la tierra . (no de los primeros "aces lser que se dispar contra la luna en )*+ slo lleg+a dispersarse cuatro -ilmetros sobre la superficie lunar. No est mal si se considera que se "aba desplazado cuatrocientos mil-ilmetros/

La luz lser es co"erente. Esto significa que todas las ondas luminosas procedentes de un lser se acoplan ordenadamente entres. (na luz corriente, como la procedente de una bombilla, genera ondas luminosas que comienzan en diferentes mementos y sedesplazan en direcciones diversas. Algo parecido a lo que ocurre cuando se arro&a un pu!ado de piedrecitas en un lago. Lo 0nico quese crean son peque!as salpicaduras y algunas ondulaciones. A"ora bien, si se arro&an las mismas piedrecitas una a una con unafrecuencia e1actamente regular y &usto en el mismo sitio, puede generarse una ola en el agua de mayor magnitud. As act0a un lser,

y esta propiedad especial puede tener diversas utilidades. 2ic"o de otro modo, una bombilla o un foco son como escopetas decartuc"os, mientras que un lser equivale a una ametralladora.

Los lseres producen luz de un solo color , o para decirlo t$cnicamente, su luz es monocromtica. La luz com0ncontiene todos los colores de la luz visible 3es decir, el espectro4, que combinados se convierten en blanco. Los "aces deluz lser "an sido producidos en todos los colores del arco iris 3si bien el ms com0n es e l ro&o4, y tambi$n en muc"ostipos de luz invisible# pero un lser determinado slo puede emitir 0nica y e1clusivamente un solo color. E1isten lseressintonizables que pueden ser a&ustados para producir diversos colores, pero incluso $stos no pueden emitir ms que uncolor 0nico en un memento dado. 2eterminados lseres, pueden emitir varias frecuencias monocromticas almismo tiempo , pero no un espectro continuo que contenga todos los colores de la luz visible como pueda "acerlo una

bombilla. Adems, e1isten numerosos lseres que proyectan luz invisible, como la infrarro&a y la ultravioleta.

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