El primer principio del láser, cuya físicabasado en la ley de radiación de Planck, teóricamente confirmada por Einstein en 1917. Describió la absorción, la radiación electromagnética espontánea y estimulada utilizando coeficientes de probabilidad (coeficientes de Einstein).
Theodore Meyman fue el primero en exhibirEl principio de funcionamiento de un láser de rubí basado en el bombeo óptico utilizando una lámpara de flash de un rubí sintético que produce radiación pulsada coherente con una longitud de onda de 694 nm.
En 1960, los científicos iraníes Javan y Bennett crearon el primer generador cuántico de gases utilizando una mezcla de gases He y Ne en una proporción de 1:10.
En 1962, R. N.Hall demostró el primer láser de diodo de arseniuro de galio (GaAs) que emitía a una longitud de onda de 850 nm. Más tarde ese año, Nick Golonyak desarrolló el primer generador de luz visible cuántica de semiconductores.
Cada sistema láser consta de un activoun medio colocado entre un par de espejos ópticamente paralelos y altamente reflectantes, uno de los cuales es translúcido, y una fuente de energía para bombearlo. El medio de amplificación puede ser sólido, líquido o gaseoso, que tiene la propiedad de amplificar la amplitud de una onda de luz que lo atraviesa mediante emisión estimulada con bombeo eléctrico u óptico. La sustancia se coloca entre un par de espejos de tal manera que la luz reflejada en ellos pasa a través de él cada vez y, habiendo logrado una amplificación significativa, penetra a través de un espejo translúcido.
Consideremos el principio de funcionamiento de un láser con un medio activo, cuyos átomos tienen solo dos niveles de energía: excitado E2 y básico E1. Si los átomos que utilizan algún mecanismo de bomba (óptico, descarga eléctrica, transmisión de corriente o bombardeo electrónico) están excitados para indicar E2, luego de unos pocos nanosegundos volverán a su posición principal, emitiendo fotones de energía hν = E2 - E1. Según la teoría de Einstein, la emisión se producede dos maneras diferentes: o es inducida por un fotón o ocurre espontáneamente. En el primer caso, tiene lugar la emisión estimulada, y en el segundo, la emisión espontánea. En equilibrio térmico, la probabilidad de emisión estimulada es mucho menor que la espontánea (1:1033), por lo tanto, la mayoría de las fuentes de luz convencionales son incoherentes, y la generación de láser es posible en condiciones distintas al equilibrio térmico.
Incluso con un bombeo muy fuerte, la poblaciónLos sistemas de dos niveles solo pueden hacerse iguales. Por lo tanto, para lograr una población inversa mediante métodos ópticos u otros métodos de bombeo, se requieren sistemas de tres o cuatro niveles.
¿Cuál es el principio de funcionamiento de un láser de tres niveles? Irradiación con luz intensa de frecuencia ν02 bombea una gran cantidad de átomos desde el nivel de energía más bajo E0 a E superior2. Transición no radiactiva de átomos con E2 a E1 establece la inversión de población entre E1 y E0, que en la práctica solo es posible cuando los átomos están en un estado metaestable E durante mucho tiempo1, y transición de E2 a E1 va rápido El principio de funcionamiento de un láser de tres niveles es cumplir estas condiciones, debido a que entre E0 y E1 Se logra la inversión de la población y los fotones se amplifican por la energía E1-E0 radiación inducida Nivel E más ancho2 podría aumentar el rango de absorción de las longitudes de onda para un bombeo más eficiente, resultando en un aumento en la emisión estimulada.
El sistema de tres niveles requiere un nivel muy altopotencia de la bomba, ya que el nivel más bajo involucrado en la generación es la base. En este caso, para que la población se invierta, indique E1 debe bombearse más de la mitad del totalnúmero de átomos En este caso, se desperdicia energía. La potencia de la bomba puede reducirse significativamente si el nivel de generación inferior no es básico, lo que requiere al menos un sistema de cuatro niveles.
Dependiendo de la naturaleza de la sustancia activa,Los láseres se dividen en tres categorías principales, a saber, sólido, líquido y gaseoso. Desde 1958, cuando se observó por primera vez la generación de cristal de rubí, los científicos e investigadores han estudiado una amplia gama de materiales en cada categoría.
El principio de funcionamiento se basa en el uso de un medio activo, que se forma agregando un metal de grupo de transición (Ti a la red cristalina aislante)+3, Cr+3En+2Co+2Ni+2Fe+2, etc.), iones de tierras raras (Ce+3, Pr+3Nd+3Pm+3Ver+2Eu+ 2, + 3Tb+3Dy+3Ho+3Er+3, Yb+3, etc.) y actínidos como U+3. Los niveles de energía de los iones solo son responsables degeneración Las propiedades físicas del material base, como la conductividad térmica y la expansión térmica, son importantes para el funcionamiento eficiente del láser. La disposición de los átomos reticulares alrededor de un ion dopado cambia sus niveles de energía. Se consiguen diferentes longitudes de onda de generación en el medio activo dopando diversos materiales con el mismo ion.
Un ejemplo de un láser de estado sólido es cuánticoUn generador en el que el holmio reemplaza el átomo de la sustancia base de la red cristalina. Ho: YAG es uno de los mejores materiales de generación. El principio de funcionamiento de un láser de holmio es que el granate de itrio y aluminio está dopado con iones de holmio, bombeado ópticamente por una lámpara de flash y emite a una longitud de onda de 2097 nm en el rango infrarrojo, que es bien absorbido por los tejidos. Este láser se utiliza para operaciones en articulaciones, en el tratamiento de dientes, para la evaporación de células cancerosas, riñones y cálculos biliares.
Los láseres de pozo cuántico son baratos, permitenProducción en masa y fácil de escalar. El principio de funcionamiento de un láser semiconductor se basa en el uso de un diodo con una unión p-n, que produce luz de cierta longitud de onda mediante la recombinación de la portadora con una polarización positiva, como los LED. Los LED emiten espontáneamente y los diodos láser, de forma forzada. Para cumplir con la condición de inversión de población, la corriente de operación debe exceder un valor umbral. El medio activo en un diodo semiconductor tiene la forma de una región de conexión de dos capas bidimensionales.
Принцип действия лазера данного типа таков, что No se requiere espejo externo para mantener la oscilación. La reflectividad creada debido al índice de refracción de las capas y la reflexión interna del medio activo es suficiente para este propósito. Las superficies finales de los diodos están astilladas, lo que garantiza el paralelismo de las superficies reflectantes.
Un compuesto formado por materiales semiconductores del mismo tipo se llama homojunción, y creado por una conexión de dos diferentes es una heterounión.
Los semiconductores de tipo pyn con una alta densidad de portadores forman una unión pn con una capa agotada muy delgada (≈1 μm).
Principio de funcionamiento y uso del láser.type le permite crear dispositivos de casi cualquier potencia (desde milivatios a megavatios) y longitudes de onda (de UV a IR) y le permite trabajar en modos pulsados y continuos. Según la naturaleza de los medios activos, se distinguen tres tipos de generadores cuánticos de gases, a saber, atómicos, iónicos y moleculares.
La mayoría de los láseres de gas se bombeandescarga electrica. Los electrones en el tubo de descarga son acelerados por el campo eléctrico entre los electrodos. Chocan con átomos, iones o moléculas del medio activo e inducen una transición a niveles de energía más altos para lograr un estado de inversión de la población y emisión estimulada.
El principio del funcionamiento del láser se basa en el hecho de que, enA diferencia de los átomos e iones aislados, en los generadores cuánticos iónicos y atómicos, las moléculas tienen amplias zonas de energía de niveles de energía discretos. Además, cada nivel de energía electrónica tiene una gran cantidad de niveles vibratorios, y esos, a su vez, son algo rotativos.
Energía entre energía electrónica.niveles está en las regiones UV y visibles del espectro, mientras que entre los niveles de rotación vibracional, en las regiones IR lejanas y cercanas. Por lo tanto, la mayoría de los generadores cuánticos moleculares operan en las regiones lejanas o cercanas al IR.
Los excimadores son moléculas comoArF, KrF, XeCl, que tienen un estado fundamental dividido y son estables en el primer nivel. El principio del funcionamiento del láser es el siguiente. Como regla general, en el estado fundamental, el número de moléculas es pequeño, por lo que no es posible el bombeo directo desde el estado fundamental. Las moléculas se forman en el primer estado electrónico excitado al combinar haluros de alta energía con gases inertes. La población de inversión se logra fácilmente, ya que el número de moléculas en el nivel básico es demasiado pequeño en comparación con el excitado. El principio del láser, en resumen, consiste en la transición de un estado electrónico excitado atado a un estado fundamental disociativo. La población en el estado fundamental siempre permanece baja, porque las moléculas en este punto se disocian en átomos.
El dispositivo y el principio de funcionamiento de los láseres consiste en el hecho de que el tubo de descarga se llena con una mezcla de haluro (F2) y gas de tierras raras (Ar). Los electrones en él se disocian e ionizan las moléculas de haluro y crean iones cargados negativamente. Ariones positivos+ y negativo f- reaccionar y producir moléculas de ArF en el primerestado ligado excitado con su posterior transición a un estado base repulsivo y generación de radiación coherente. Se puede utilizar un láser excimer, cuyo principio de funcionamiento y aplicación estamos considerando ahora, para bombear el medio activo en los tintes.
Comparado con sólidos, líquidosmás homogéneo, y tienen una mayor densidad de átomos activos, en comparación con los gases. Además de esto, no son difíciles de fabricar, facilitan la eliminación del calor y pueden reemplazarse fácilmente. El principio del láser es utilizar colorantes orgánicos como medio activo, como DCM (4-dicianometilen-2-metil-6-p-dimetilaminostyr-4H-pirano), rodamina, estireno, LDS, cumarina, estilbeno, etc. disuelto en un solvente apropiado. Una solución de moléculas de tinte es excitada por la radiación cuya longitud de onda tiene un buen coeficiente de absorción. El principio del láser, en resumen, es generar a una longitud de onda más larga, llamada fluorescencia. La diferencia entre la energía absorbida y los fotones emitidos es utilizada por las transiciones de energía no radiativa y calienta el sistema.
Banda de fluorescencia líquida más anchaLos generadores cuánticos tienen una característica única: sintonización de longitud de onda. El principio de funcionamiento y el uso de este tipo de láser como fuente de luz sintonizable y coherente es cada vez más importante en la espectroscopía, la holografía y las aplicaciones biomédicas.
Recientemente, los generadores cuánticos de colorantes se han utilizado para separar isótopos. En este caso, el láser excita selectivamente a uno de ellos, lo que los lleva a entrar en una reacción química.
