Medio láser activo

Fuente de ganancia óptica en un láser

Barras láser (de izquierda a derecha): Rubí , Alejandrita, Er:YAG , Nd:YAG

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 energía más bajo desde un estado de energía más alto previamente poblado por una fuente de bombeo .

Algunos 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 y aluminio ( Y3Al5O12 ), ortovanadato de itrio (YVO4 ₎ o zafiro ( _{Al2O3 )} ; ^[1] y, con menos frecuencia, bromuro de cesio y cadmio ( CsCdBr3 ₎ ( láseres _de estado sólido ) .
• Vidrios , por ejemplo, vidrios de silicato o de fosfato, dopados con iones activos por láser; ^[2]
• Gases , por ejemplo mezclas de helio y neón (HeNe), nitrógeno , argón , criptón , monóxido de carbono , dióxido de carbono o vapores metálicos; ^[3] ( láseres de gas )
• Semiconductores , por ejemplo, arseniuro de galio (GaAs), arseniuro de galio e indio (InGaAs) o nitruro de galio (GaN). ^[4]
• Líquidos, en forma de soluciones colorantes como las utilizadas en los láseres colorantes . ^{[5] [6]}

Para disparar un láser, el medio de ganancia activo debe cambiarse a un estado en el que se produce la inversión de población . La preparación de este estado requiere una fuente de energía externa y se conoce como bombeo láser . El bombeo puede lograrse con corrientes eléctricas (por ejemplo, semiconductores o gases mediante descargas de alto voltaje ) o con luz, generada por lámparas de descarga o por otros láseres ( láseres semiconductores ). Los medios de ganancia más exóticos pueden bombearse mediante reacciones químicas , fisión nuclear ^[7] o con haces de electrones de alta energía ^[8] .

Ejemplo de un modelo de medio de ganancia

Esquema simplificado de niveles en un medio de ganancia

El modelo más simple de ganancia óptica en sistemas reales incluye sólo dos grupos de subniveles, energéticamente bien separados. Dentro de cada grupo de subniveles, las transiciones rápidas aseguran que el equilibrio térmico se alcance rápidamente. Las emisiones estimuladas entre los grupos superiores e inferiores, esenciales para la ganancia, requieren que los niveles superiores estén más poblados que los inferiores correspondientes. Esta situación se llama inversión de población. Se logra más fácilmente si las tasas de transición no estimuladas entre los dos grupos son lentas, es decir, los niveles superiores son metaestables . Las inversiones de población se producen más fácilmente cuando sólo están ocupados los subniveles más bajos, lo que requiere temperaturas bajas o grupos bien divididos energéticamente.

En el caso de la amplificación de señales ópticas, la frecuencia láser se denomina frecuencia de señal. Si la energía externa necesaria para la amplificación de la señal es óptica, necesariamente será la misma o mayor frecuencia de bombeo .

Secciones transversales

El medio simple se puede caracterizar con secciones transversales efectivas de absorción y emisión en frecuencias y . ${\displaystyle ~\omega _{\rm {p}}~}$ ${\displaystyle ~\omega _{\rm {s}}}$

• Tiene concentración de centros activos en los láseres de estado sólido. ${\displaystyle ~N~}$
• Tiene que haber concentración de centros activos en el estado fundamental. ${\displaystyle ~N_{1}~}$
• Debe haber concentración de centros excitados. ${\displaystyle ~N_{2}~}$
• Tener . ${\displaystyle ~N_{1}+N_{2}=N}$

Las concentraciones relativas se pueden definir como y . ${\displaystyle ~n_{1}=N_{1}/N~}$ ${\displaystyle ~n_{2}=N_{2}/N}$

La tasa de transición de un centro activo desde el estado fundamental al estado excitado se puede expresar así: . ${\displaystyle ~W_{\rm {u}}={\frac {I_{\rm {p}}\sigma _{\rm {ap}}}{\hbar \omega _{\rm {p}}}}+{\frac {I_{\rm {s}}\sigma _{\rm {as}}}{\hbar \omega _{\rm {s}}}}~}$

Mientras que la tasa de transiciones de regreso al estado fundamental se puede expresar como: , donde y son secciones transversales efectivas de absorción en las frecuencias de la señal y la bomba, y son las mismas para la emisión estimulada, y es la tasa de decaimiento espontáneo del nivel superior. ${\displaystyle ~W_{\rm {d}}={\frac {I_{\rm {p}}\sigma _{\rm {ep}}}{\hbar \omega _{\rm {p}}}}+{\frac {I_{\rm {s}}\sigma _{\rm {es}}}{\hbar \omega _{\rm {s}}}}+{\frac {1}{\tau }}~}$ ${\displaystyle ~\sigma _{\rm {as}}~}$ ${\displaystyle ~\sigma _{\rm {ap}}~}$ ${\displaystyle ~\sigma _{\rm {es}}~}$ ${\displaystyle ~\sigma _{\rm {ep}}~}$ ${\displaystyle ~{\frac {1}{\tau }}~}$

Entonces, la ecuación cinética para poblaciones relativas se puede escribir de la siguiente manera:

${\displaystyle ~{\frac {{\rm {d}}n_{2}}{{\rm {d}}t}}=W_{\rm {u}}n_{1}-W_{\rm {d}}n_{2}}$,

${\displaystyle ~{\frac {{\rm {d}}n_{1}}{{\rm {d}}t}}=-W_{\rm {u}}n_{1}+W_{\rm {d}}n_{2}~}$Sin embargo, estas ecuaciones se mantienen . ${\displaystyle ~n_{1}+n_{2}=1~}$

La absorción en la frecuencia de bombeo y la ganancia en la frecuencia de la señal se pueden escribir de la siguiente manera: ${\displaystyle ~A~}$ ${\displaystyle ~G~}$

${\displaystyle ~A=N_{1}\sigma _{\rm {pa}}-N_{2}\sigma _{\rm {pe}}~}$y . ${\displaystyle ~G=N_{2}\sigma _{\rm {se}}-N_{1}\sigma _{\rm {sa}}~}$

Solución de estado estacionario

En muchos casos, el medio de ganancia funciona en un régimen de onda continua o cuasicontinuo , lo que provoca que las derivadas temporales de las poblaciones sean insignificantes.

La solución de estado estacionario se puede escribir:

${\displaystyle ~n_{2}={\frac {W_{\rm {u}}}{W_{\rm {u}}+W_{\rm {d}}}}~}$, ${\displaystyle ~n_{1}={\frac {W_{\rm {d}}}{W_{\rm {u}}+W_{\rm {d}}}}.}$

Las intensidades de saturación dinámica se pueden definir:

${\displaystyle ~I_{\rm {po}}={\frac {\hbar \omega _{\rm {p}}}{(\sigma _{\rm {ap}}+\sigma _{\rm {ep}})\tau }}~}$, . ${\displaystyle ~I_{\rm {so}}={\frac {\hbar \omega _{\rm {s}}}{(\sigma _{\rm {as}}+\sigma _{\rm {es}})\tau }}~}$

La absorción en señal fuerte: . ${\displaystyle ~A_{0}={\frac {ND}{\sigma _{\rm {as}}+\sigma _{\rm {es}}}}~}$

La ganancia en bombeo fuerte: , donde es determinante de la sección transversal. ${\displaystyle ~G_{0}={\frac {ND}{\sigma _{\rm {ap}}+\sigma _{\rm {ep}}}}~}$ ${\displaystyle ~D=\sigma _{\rm {pa}}\sigma _{\rm {se}}-\sigma _{\rm {pe}}\sigma _{\rm {sa}}~}$

La ganancia nunca excede el valor , y la absorción nunca excede el valor . ${\displaystyle ~G_{0}~}$ ${\displaystyle ~A_{0}U~}$

A intensidades dadas de bombeo y señal, la ganancia y la absorción se pueden expresar de la siguiente manera: ${\displaystyle ~I_{\rm {p}}~}$ ${\displaystyle ~I_{\rm {s}}~}$

${\displaystyle ~A=A_{0}{\frac {U+s}{1+p+s}}~}$, , ${\displaystyle ~G=G_{0}{\frac {p-V}{1+p+s}}~}$

dónde , , , . ${\displaystyle ~p=I_{\rm {p}}/I_{\rm {po}}~}$ ${\displaystyle ~s=I_{\rm {s}}/I_{\rm {so}}~}$ ${\displaystyle ~U={\frac {(\sigma _{\rm {as}}+\sigma _{\rm {es}})\sigma _{\rm {ap}}}{D}}~}$ ${\displaystyle ~V={\frac {(\sigma _{\rm {ap}}+\sigma _{\rm {ep}})\sigma _{\rm {as}}}{D}}~}$

Identidades

Se dan las siguientes identidades ^[9] : , ${\displaystyle U-V=1~}$ ${\displaystyle ~A/A_{0}+G/G_{0}=1~.\ }$

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 . ${\displaystyle ~E={\frac {I_{\rm {s}}G}{I_{\rm {p}}A}}~}$

Dentro del mismo modelo, la eficiencia se puede expresar de la siguiente manera: . ${\displaystyle ~E={\frac {\omega _{\rm {s}}}{\omega _{\rm {p}}}}{\frac {1-V/p}{1+U/s}}~}$

Para un funcionamiento eficiente, ambas intensidades (bombeo y señal) deben superar sus intensidades de saturación: , y . ${\displaystyle ~{\frac {p}{V}}\gg 1~}$ ${\displaystyle ~{\frac {s}{U}}\gg 1~}$

Las estimaciones anteriores son válidas para un medio uniformemente lleno de luz de bombeo y señal. La quema de agujeros espaciales puede reducir ligeramente la eficiencia porque algunas regiones se bombean bien, pero la señal no retira eficientemente la bomba en los nodos de interferencia de ondas contrapropagantes.

Véase también

• Inversión poblacional
• Construcción láser
• Ciencia del láser
• Lista de artículos sobre láser
• Lista de tipos de láser

Referencias y notas

1. Hecht, Jeff. The Laser Guidebook: Second Edition. McGraw-Hill, 1992. (Capítulo 22)
2. Hecht, Capítulo 22
3. Hecht, Capítulos 7-15
4. Hecht, capítulos 18-21
5. FJ Duarte y LW Hillman (Eds.), Principios del láser de colorante (Academic, Nueva York, 1990).
6. FP Schäfer (Ed.), Dye Lasers , 2.ª edición (Springer-Verlag, Berlín, 1990).
7. McArthur, DA; Tollefsrud, PB (15 de febrero de 1975). "Observación de la acción del láser en gas CO excitado únicamente por fragmentos de fisión". Applied Physics Letters . 26 (4): 187–190. Bibcode :1975ApPhL..26..187M. doi :10.1063/1.88110.
8. Enciclopedia de física y tecnología láser
9. 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.

Enlaces externos

• Obtenga información sobre la enciclopedia de física y tecnología láser