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 menor energía desde un estado de mayor energía previamente poblado por una fuente de bomba .

Ejemplos de medios láser activos incluyen:

• Ciertos cristales , normalmente dopados con iones de tierras raras (por ejemplo, neodimio , iterbio o erbio ) o iones de metales de transición ( titanio o cromo ); con mayor frecuencia granate de itrio y aluminio ( Y ₃ Al ₅ O ₁₂ ), ortovanadato de itrio (YVO ₄ ) o zafiro (Al ₂ O ₃ ); ^[1] y rara vez bromuro de cesio y cadmio ( Cs Cd Br ₃ ) ( láseres de estado sólido )
• Vidrios , por ejemplo vidrios de silicato o fosfato, dopados con iones activos con láser; ^[2]
• Gases , p. ej. 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 indio y galio (InGaAs) o nitruro de galio (GaN). ^[4]
• Líquidos, en forma de soluciones colorantes como las que se utilizan en los láseres de colorantes . ^{[5] [6]}

Para disparar un láser, el medio de ganancia activo debe cambiarse a un estado en el que se produzca inversión de población . La preparación de este estado requiere de una fuente de energía externa y se conoce como bombeo láser . El bombeo puede realizarse con corrientes eléctricas (p. ej. semiconductores o gases mediante descargas de alto voltaje ) o con luz generada por lámparas de descarga u 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 garantizan que se alcance rápidamente el equilibrio térmico . Las emisiones estimuladas entre los grupos superiores e inferiores, esenciales para la ganancia, requieren que los niveles superiores estén más poblados que los correspondientes inferiores. 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 demográficas se producen más fácilmente cuando sólo se ocupan 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 del láser se denomina frecuencia de señal. Si la energía proporcionada externamente necesaria para la amplificación de la señal es óptica, necesariamente será de la misma o mayor frecuencia de bombeo .

Secciones cruzadas

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

• Hay concentración de centros activos en los láseres de estado sólido. ${\displaystyle ~N~}$
• Tener concentración de centros activos en el estado fundamental. ${\displaystyle ~N_{1}~}$
• Habrá 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 velocidad 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 a la frecuencia de la bomba y la ganancia a 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 hace que las derivadas temporales de las poblaciones sean insignificantes.

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

La ganancia con bomba 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 bomba y señal, la ganancia y 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 producen 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 (bomba y señal) deben exceder 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 bomba y luz de señal. La quema de agujeros espaciales puede reducir ligeramente la eficiencia porque algunas regiones se bombean bien, pero la señal en los nodos de la interferencia de las ondas contrapropagadoras no retira la bomba de manera eficiente.

Ver también

• Inversión de la población
• Construcción láser
• ciencia del láser
• Lista de artículos sobre láser.
• Lista de tipos de láser

Referencias y notas

1. Hecht, Jeff. La guía láser: segunda edición. 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 tinte (Académico, Nueva York, 1990).
6. FP Schäfer (Ed.), Dye Lasers , 2.ª edición (Springer-Verlag, Berlín, 1990).
7. McArthur, fiscal del distrito; Tollefsrud, PB (15 de febrero de 1975). "Observación de la acción del láser en gas CO excitado únicamente por fragmentos de fisión". Letras de Física Aplicada . 26 (4): 187-190. Código bibliográfico : 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". JOSE B. 22 (8): 1605-1619. Código Bib : 2005JOSAB..22.1605K. doi :10.1364/JOSAB.22.001605.

enlaces externos

• Obtenga medios Enciclopedia de física y tecnología láser