Estructura y principio de funcionamiento del láser. Dispositivos cuánticos bombeados ópticamente que funcionan según un "esquema de tres niveles"

Los generadores cuánticos que emiten en el rango de radiación visible e infrarroja se denominan láseres. La palabra "láser" es una abreviatura de la expresión: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, que significa la amplificación de la luz como resultado de la emisión inducida o, como a veces se llama, estimulada de cuantos.

Dispositivo láser

Un láser generalizado consta de un medio activo láser, un sistema de "bombeo": una fuente de voltaje y una cavidad óptica.

El sistema de bombeo transfiere energía a los átomos o moléculas del medio láser, dándoles la oportunidad de entrar en un "estado metaestable" excitado creando una inversión de población.

· El bombeo óptico utiliza fotones proporcionados por una fuente, como una lámpara de destellos llena de gas xenón u otro láser, para transferir energía a la sustancia láser. La fuente óptica debe proporcionar fotones que coincidan con los niveles de transición aceptables en el material láser.

· El bombeo por colisión se basa en la transferencia de energía a una sustancia láser como resultado de colisiones con átomos (o moléculas) de la sustancia láser. Al mismo tiempo también se debe proporcionar la energía correspondiente a las transiciones permitidas. Esto generalmente se logra mediante el uso de una descarga eléctrica en un gas puro o una mezcla de gases en un tubo.

· Los sistemas de bombeo químico utilizan la energía de enlace liberada como resultado de reacciones químicas para transformar la sustancia láser en un estado metaestable.

Se requiere una cavidad óptica para proporcionar la fuerza deseada en el láser y seleccionar fotones que se muevan en la dirección deseada. Cuando se descarga el primer átomo o molécula en estado metaestable de inversión de población, debido a emisión estimulada, inicia la descarga de otros átomos o moléculas en estado metaestable. Si los fotones viajan hacia las paredes de la sustancia láser, generalmente una varilla o un tubo, se pierden y se interrumpe el proceso de amplificación. Aunque pueden reflejarse en las paredes de la varilla o tubería, tarde o temprano se perderán del sistema y no contribuirán a la creación del haz.

Por otro lado, si uno de los átomos o moléculas destruidos libera un fotón paralelo al eje de la sustancia láser, puede iniciar la liberación de otro fotón, y ambos serán reflejados por un espejo al final de la varilla generadora. o tubo. Los fotones reflejados luego regresan a través de la sustancia, iniciando más radiación exactamente por el mismo camino, que nuevamente es reflejada por los espejos en los extremos de la sustancia láser. Mientras este proceso de amplificación continúe, parte de la amplificación siempre saldrá a través del espejo parcialmente reflectante. A medida que la ganancia o ganancia de este proceso excede las pérdidas de la cavidad, comienza el láser. De este modo se forma un haz de luz coherente, estrecho y concentrado. Los espejos de la cavidad óptica del láser deben ajustarse con precisión para garantizar que los rayos de luz sean paralelos al eje. El propio resonador óptico, es decir. la sustancia del medio no debe absorber fuertemente la energía luminosa.

Medio láser (material láser): los láseres generalmente se designan por el tipo de sustancia láser utilizada. Hay cuatro tipos de este tipo:

sólido,

Teñir,

Semiconductor.

Los láseres de estado sólido utilizan material láser distribuido en una matriz sólida. Los láseres de estado sólido ocupan un lugar único en el desarrollo de láseres. El primer medio láser que funcionó fue un cristal de rubí rosa (cristal de zafiro dopado con cromo); Desde entonces, el término "láser de estado sólido" se ha utilizado generalmente para describir un láser cuyo medio activo es un cristal dopado con impurezas iónicas. Los láseres de estado sólido son dispositivos grandes y fáciles de mantener capaces de generar energía de alta potencia. Lo más destacable de los láseres de estado sólido es que la potencia de salida no suele ser constante, sino que se compone de un gran número de picos de potencia individuales.

Un ejemplo es el láser de neodimio-YAG. El término YAG es la abreviatura del cristal: granate de itrio y aluminio, que sirve como portador de iones de neodimio. Este láser emite un haz infrarrojo con una longitud de onda de 1.064 micrómetros. Además, se pueden utilizar otros elementos dopantes, como el erbio (láseres Er:YAG).

Los láseres de gas utilizan gas o una mezcla de gases en un tubo. La mayoría de los láseres de gas utilizan una mezcla de helio y neón (HeNe), con una señal de salida primaria de 6.328 nm (nm = 10-9 metros), visible en rojo. Este láser se desarrolló por primera vez en 1961 y se convirtió en el precursor de toda una familia de láseres de gas.

Todos los láseres de gas son bastante similares en diseño y propiedades. Por ejemplo, un láser de gas CO2 emite una longitud de onda de 10,6 micrómetros en la región del infrarrojo lejano del espectro. Los láseres de gas argón y criptón funcionan en múltiples frecuencias y emiten predominantemente en la parte visible del espectro. Las principales longitudes de onda de la radiación láser de argón son 488 y 514 nm.

Los láseres de tinte utilizan un medio láser que es un tinte orgánico complejo en una solución o suspensión líquida.

La característica más importante de estos láseres es su "adaptabilidad". La elección correcta del tinte y su concentración permite generar luz láser en una amplia gama de longitudes de onda en el espectro visible o cerca de él. Los láseres de tinte suelen utilizar un sistema de excitación óptica, aunque algunos tipos de láseres de tinte utilizan excitación química.

Láseres semiconductores (diodos): constan de dos capas de material semiconductor apiladas. Un diodo láser es un diodo emisor de luz con una capacitancia óptica para amplificar la luz emitida por una reacción en una varilla semiconductora, como se muestra en la figura. Se pueden sintonizar cambiando la corriente aplicada, la temperatura o el campo magnético.

Los diferentes modos temporales de funcionamiento del láser están determinados por la frecuencia a la que se suministra la energía.

Los láseres de onda continua (CW) funcionan con una potencia de haz promedio constante.

Los láseres de pulso único suelen tener duraciones de pulso que van desde varios cientos de microsegundos hasta varios milisegundos. Este modo de funcionamiento suele denominarse modo de pulso largo o modo normal.

Los láseres de conmutación Q de pulso único son el resultado de un retardo intracavidad (célula de conmutación Q), que permite que el medio láser retenga la máxima energía potencial. Luego, en las condiciones más favorables, se emiten impulsos individuales, normalmente con un intervalo de tiempo de 10 a 8 segundos. Estos pulsos tienen una potencia máxima alta, a menudo en el rango de 106 a 109 vatios.

Los láseres pulsados, o láseres de escaneo, funcionan en principio de la misma manera que los láseres pulsados, pero a una frecuencia de pulso fija (o variable) que puede variar desde unos pocos pulsos por segundo hasta 20.000 pulsos por segundo.

Principio de funcionamiento del láser

La base física del funcionamiento del láser es el fenómeno de la radiación forzada (inducida). La esencia del fenómeno es que un átomo excitado es capaz de emitir un fotón bajo la influencia de otro fotón sin absorberlo, si la energía de este último es igual a la diferencia en las energías de los niveles del átomo antes y después del radiación. En este caso, el fotón emitido es coherente con el fotón que provocó la radiación (es su “copia exacta”). De esta manera la luz se amplifica. Este fenómeno se diferencia de la emisión espontánea, en la que los fotones emitidos tienen direcciones de propagación, polarización y fase aleatorias.

La probabilidad de que un fotón aleatorio provoque una emisión estimulada de un átomo excitado es exactamente igual a la probabilidad de absorción de este fotón por un átomo en estado no excitado. Por tanto, para amplificar la luz es necesario que haya más átomos excitados en el medio que no excitados (la llamada inversión de población). En estado de equilibrio termodinámico esta condición no se cumple, por lo que se utilizan varios sistemas para bombear el medio activo del láser (óptico, eléctrico, químico, etc.).

La fuente primaria de generación es el proceso de emisión espontánea, por lo que para asegurar la continuidad de las generaciones de fotones es necesaria la existencia de una retroalimentación positiva, por lo que los fotones emitidos provocan actos posteriores de emisión inducida. Para ello, el medio activo del láser se coloca en una cavidad óptica. En el caso más sencillo, consta de dos espejos, uno de los cuales es translúcido, a través del cual el rayo láser sale parcialmente del resonador. Reflejándose en los espejos, el haz de radiación pasa repetidamente a través del resonador, provocando transiciones inducidas en él. La radiación puede ser continua o pulsada. Al mismo tiempo, utilizando diversos dispositivos (prismas giratorios, células de Kerr, etc.) para activar y desactivar rápidamente la retroalimentación y así reducir el período de los pulsos, es posible crear condiciones para generar radiación de muy alta potencia (la los llamados pulsos gigantes). Este modo de funcionamiento del láser se denomina modo Q-switched.

La radiación generada por un láser es monocromática (una o un conjunto discreto de longitudes de onda), ya que la probabilidad de emisión de un fotón de una determinada longitud de onda es mayor que la de uno ubicado cerca, debido al ensanchamiento de la línea espectral, y , en consecuencia, la probabilidad de transiciones inducidas a esta frecuencia también tiene un máximo. Por lo tanto, gradualmente durante el proceso de generación, los fotones de una longitud de onda determinada dominarán sobre todos los demás fotones. Además, debido a la disposición especial de los espejos, en el rayo láser sólo se retienen aquellos fotones que se propagan en dirección paralela al eje óptico del resonador a poca distancia de éste; los fotones restantes abandonan rápidamente el volumen del resonador. Por tanto, el rayo láser tiene un ángulo de divergencia muy pequeño. Finalmente, el rayo láser tiene una polarización estrictamente definida. Para ello se introducen en el resonador distintas polaroides, que pueden ser, por ejemplo, placas de vidrio planas colocadas en ángulo de Brewster con respecto a la dirección de propagación del rayo láser.

Aplicaciones de los láseres

radiación del generador cuántico láser

Desde su invención, los láseres se han consolidado como “soluciones listas para problemas aún desconocidos”. Debido a las propiedades únicas de la radiación láser, se utilizan ampliamente en muchas ramas de la ciencia y la tecnología, así como en la vida cotidiana (reproductores de CD, impresoras láser, lectores de códigos de barras, punteros láser, etc.). En la industria, los láseres se utilizan para cortar, soldar y soldar piezas de diversos materiales. La alta temperatura de la radiación permite soldar materiales que no se pueden soldar con métodos convencionales (por ejemplo, cerámica y metal). El rayo láser se puede enfocar en un punto con un diámetro del orden de una micra, lo que permite su uso en microelectrónica (el llamado trazado láser). Los láseres se utilizan para obtener recubrimientos superficiales de materiales (aleación por láser, revestimiento por láser, deposición por láser al vacío) con el fin de aumentar su resistencia al desgaste. También se utilizan ampliamente el marcado láser de diseños industriales y el grabado de productos fabricados con diversos materiales. Durante el procesamiento láser de materiales, no se produce ningún impacto mecánico sobre ellos, por lo que sólo se producen deformaciones menores. Además, todo el proceso tecnológico se puede automatizar completamente. Por lo tanto, el procesamiento láser se caracteriza por su alta precisión y productividad.

Láser semiconductor utilizado en la unidad de generación de imágenes de una impresora Hewlett-Packard.

Los láseres se utilizan en holografía para crear hologramas y obtener una imagen holográfica tridimensional. Algunos láseres, como los de colorante, son capaces de generar luz monocromática de casi cualquier longitud de onda y los pulsos de radiación pueden alcanzar entre 10 y 16 s y, por tanto, potencias enormes (los llamados pulsos gigantes). Estas propiedades se utilizan en espectroscopia, así como en el estudio de efectos ópticos no lineales. Utilizando un láser fue posible medir la distancia a la Luna con una precisión de varios centímetros. El alcance láser de objetos espaciales aclaró el significado de la constante astronómica y contribuyó al perfeccionamiento de los sistemas de navegación espacial, amplió la comprensión de la estructura de la atmósfera y la superficie de los planetas del Sistema Solar. En los telescopios astronómicos equipados con un sistema óptico adaptativo para corregir las distorsiones atmosféricas, se utilizan láseres para crear estrellas guía artificiales en las capas superiores de la atmósfera.

Los pulsos de láser ultracortos se utilizan en química láser para desencadenar y analizar reacciones químicas. Aquí, la radiación láser permite una localización y dosificación precisas, una esterilidad absoluta y una alta velocidad de entrada de energía en el sistema. Actualmente se están desarrollando varios sistemas de enfriamiento de láser y se están considerando las posibilidades de implementar una fusión termonuclear controlada mediante láseres (el láser más adecuado para la investigación en el campo de las reacciones termonucleares sería un láser que utilice longitudes de onda en la parte azul del espectro visible ). Los láseres también se utilizan con fines militares, por ejemplo como guía y ayuda para apuntar. Se están considerando opciones para crear sistemas de defensa de combate aéreos, marítimos y terrestres basados ​​en láseres de alta potencia.

En medicina, los láseres se utilizan como bisturíes sin sangre y se utilizan en el tratamiento de enfermedades oftálmicas (cataratas, desprendimiento de retina, corrección de la visión con láser, etc.). También se utilizan mucho en cosmetología (depilación láser, tratamiento de defectos vasculares y pigmentados de la piel, peeling láser, eliminación de tatuajes y manchas de la edad). Actualmente, la llamada comunicación láser se está desarrollando rápidamente. Se sabe que cuanto mayor sea la frecuencia portadora de un canal de comunicación, mayor será su rendimiento. Por tanto, las comunicaciones por radio tienden a desplazarse a longitudes de onda cada vez más cortas. La longitud de onda de la luz es en promedio seis órdenes de magnitud más corta que la longitud de onda del rango de radio, por lo que la radiación láser puede transmitir una cantidad de información mucho mayor. La comunicación láser se realiza a través de estructuras conductoras de luz tanto abiertas como cerradas, por ejemplo fibra óptica. Debido al fenómeno de reflexión interna total, la luz puede propagarse a través de él a largas distancias, prácticamente sin debilitarse.

Producción cotidiana y actividades científicas. Con el paso de los años, esta "herramienta" se irá perfeccionando cada vez más y, al mismo tiempo, el alcance de los láseres se ampliará continuamente. El creciente ritmo de investigación en el campo de la tecnología láser está abriendo la posibilidad de crear nuevos tipos de láseres con características significativamente mejoradas, permitiéndoles ampliar sus áreas de aplicación en...

No sólo para materiales especialmente duros, sino también para materiales caracterizados por una mayor fragilidad. El taladro láser resultó ser no sólo una “herramienta” poderosa, sino también muy delicada. Ejemplo: el uso de un láser al perforar orificios en sustratos de virutas de cerámica de alúmina. La cerámica es inusualmente frágil. Por este motivo, la perforación mecánica de agujeros en el sustrato de la viruta...

El láser consta necesariamente de tres componentes principales:

1) medio activo, en el que se crean estados con inversión poblacional;

2) sistemasbombeo− dispositivos para crear inversión en el medio activo;

3) ópticosobre el resonador− un dispositivo que da forma a la dirección del haz de fotones.

Además, el resonador óptico está diseñado para la amplificación múltiple de la radiación láser.

Actualmente como activo (laboral) ambiente Los láseres utilizan diferentes estados agregados de la materia: sólido, líquido, gaseoso y plasma.

Para crear una población inversa del entorno láser, varios métodos de bombeo . El láser se puede bombear de forma continua o pulsada. En el modo a largo plazo (continuo), la potencia de la bomba introducida en el medio activo está limitada por el sobrecalentamiento del medio activo y fenómenos relacionados. En el modo de pulso único es posible introducir mucha más energía en el medio activo que durante el mismo tiempo en el modo continuo. Esto da como resultado una mayor potencia de un solo pulso.

Láser- Se trata de una fuente de luz con propiedades que se diferencian marcadamente de todas las demás fuentes (lámparas incandescentes, lámparas fluorescentes, llamas, luminarias naturales, etc.). El rayo láser tiene una serie de propiedades notables. Se propaga a largas distancias y tiene una dirección estrictamente lineal. El haz se mueve en un haz muy estrecho con un bajo grado de divergencia (llega a la luna con un foco de cientos de metros). El rayo láser tiene un gran calor y puede perforar cualquier material. La intensidad luminosa del haz es mayor que la intensidad de las fuentes de luz más potentes.
Nombre láser es una abreviatura de la frase inglesa: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER). Amplificación de la luz mediante emisión estimulada.
Todos los sistemas láser se pueden dividir en grupos según el tipo de medio activo utilizado. Los tipos de láseres más importantes son:

de Estado sólido

semiconductor

líquido

gas
Un medio activo es un conjunto de átomos, moléculas, iones o un cristal (láser semiconductor) que, bajo la influencia de la luz, puede adquirir propiedades amplificadoras.

Entonces, cada átomo tiene un conjunto discreto de niveles de energía. Los electrones de un átomo ubicado en el estado fundamental (estado con energía mínima), cuando absorben cuantos de luz, se mueven a un nivel de energía más alto: el átomo se excita; Cuando se emite un cuanto de luz, ocurre lo contrario. Además, la emisión de luz, es decir, la transición a un nivel de energía inferior (Fig. 1b), puede ocurrir de forma espontánea (espontánea) o bajo la influencia de radiación externa (forzada) (Fig. 1c). Además, si se emiten cuantos de radiación espontánea en direcciones aleatorias, entonces se emite un cuanto de radiación estimulada en la misma dirección que el cuanto que provocó esta radiación, es decir, ambos cuantos son completamente idénticos.

Fig.1 Tipos de radiación láser

Para que prevalezcan las transiciones en las que se produce la emisión de energía (transiciones de un nivel de energía superior a uno inferior), es necesario crear una mayor concentración de átomos o moléculas excitados (para crear una inversión de población). Esto conducirá a un aumento de la luz que incide sobre la sustancia. El estado de una sustancia en el que se crea una población inversa de niveles de energía se llama activo, y un medio que consiste en dicha sustancia se llama medio activo.

El proceso de crear una población inversa de niveles se llama bombeo. Y se realiza otra clasificación de los láseres según el método de bombeo (óptico, térmico, químico, eléctrico, etc.). Los métodos de bombeo dependen del tipo de láser (estado sólido, líquido, gaseoso, semiconductor, etc.).
La tarea principal del proceso de bombeo se puede considerar usando el ejemplo de un láser de tres niveles (Fig. 2).

Fig.2 diagrama de un láser de tres niveles.

El nivel de láser inferior I con energía E1 es el nivel de energía principal del sistema, en el que se encuentran inicialmente todos los átomos activos. El bombeo excita los átomos y, en consecuencia, los transfiere del nivel I del suelo al nivel III, con energía E3. Los átomos que se encuentran en el nivel III emiten cuantos de luz y se mueven al nivel I, o se mueven rápidamente al nivel II del láser superior. Para que se produzca la acumulación de átomos excitados en el nivel II del láser superior, con energía E2, es necesario tener una relajación rápida de los átomos del nivel III al II, que debe exceder la velocidad de desintegración del nivel II del láser superior. La población invertida creada de esta manera proporcionará las condiciones para la amplificación de la radiación.

Sin embargo, para que se produzca la generación aún es necesario proporcionar retroalimentación, es decir, que la emisión estimulada, una vez que surge, provoque nuevos actos de emisión estimulada. Para crear tal proceso, el medio activo se coloca en un resonador óptico.

Un resonador óptico es un sistema de dos espejos, entre los cuales se encuentra el medio activo (Fig. 3). Proporciona múltiples orígenes de ondas de luz que se propagan a lo largo de su eje a través del medio amplificador, como resultado de lo cual se logra una alta potencia de radiación.

Fig.3 Diagrama láser

Cuando se alcanza una determinada potencia, la radiación sale a través de un espejo translúcido. Debido a la participación en el desarrollo de la generación de sólo la parte de los cuantos que son paralelos al eje del resonador, la eficiencia. Los láseres no suelen superar el 1%. En algunos casos, sacrificando ciertas características, la eficiencia. se puede aumentar hasta el 30%.

El diagrama muestra: 1 - medio activo; 2 - energía de la bomba láser; 3 - espejo opaco; 4 - espejo translúcido; 5 - rayo láser.

Todos los láseres constan de tres partes principales:

ambiente activo (de trabajo);

sistemas de bombeo (fuente de energía);

resonador óptico (puede estar ausente si el láser funciona en modo amplificador).

Cada uno de ellos asegura que el láser realice sus funciones específicas.

Entorno activo

Actualmente, se utilizan varios estados agregados de la materia como medio de trabajo de un láser: sólido, líquido, gaseoso y plasma. En el estado normal, el número de átomos ubicados en niveles de energía excitados está determinado por la distribución de Boltzmann:

Aquí norte- el número de átomos en estado excitado con energía mi, norte 0 - número de átomos en el estado fundamental, k- constante de Boltzmann, t- Temperatura ambiental. En otras palabras, hay menos átomos de este tipo en el estado excitado que en el estado fundamental, por lo que la probabilidad de que un fotón que se propaga a través del medio provoque una emisión estimulada también es pequeña en comparación con la probabilidad de su absorción. Por lo tanto, una onda electromagnética, al atravesar una sustancia, gasta su energía para excitar los átomos y la intensidad de la radiación disminuye según la ley de Bouguer:

Aquí I 0 - intensidad inicial, I l es la intensidad de la radiación que recorre la distancia yo en la materia a 1 es la tasa de absorción de la sustancia. Como la dependencia es exponencial, la radiación se absorbe muy rápidamente.

En el caso de que el número de átomos excitados sea mayor que el de los no excitados (es decir, en un estado de inversión de población), la situación es exactamente la contraria. Los actos de emisión estimulada prevalecen sobre la absorción y la radiación aumenta según la ley:

Dónde a 2 - factor de ganancia cuántica. En los láseres reales, la amplificación se produce hasta que la cantidad de energía recibida debido a la emisión estimulada llega a ser igual a la cantidad de energía perdida en el resonador. Estas pérdidas están asociadas con la saturación del nivel metaestable de la sustancia de trabajo, después de lo cual la energía de bombeo se usa solo para calentarla, así como con la presencia de muchos otros factores (dispersión por falta de homogeneidad del medio, absorción por impurezas, imperfección de los espejos reflectantes, radiaciones útiles y no deseadas al medio ambiente, etc.).

sistema de bombeo

Se utilizan varios mecanismos para crear inversión de población en el entorno del láser. En los láseres de estado sólido, el sonido de la bocina se logra mediante irradiación con potentes lámparas de descarga de gas, radiación solar enfocada (el llamado bombeo óptico) y radiación de otros láseres (en particular, láseres semiconductores). En este caso, el funcionamiento solo es posible en modo pulsado, ya que se requieren densidades de energía de bombeo muy altas que, con una exposición prolongada, provocan un fuerte calentamiento y destrucción de la varilla de la sustancia de trabajo. Los láseres de gas y líquido utilizan bombeo de descarga eléctrica. Estos láseres funcionan en modo continuo. Bombeo láseres químicos se produce mediante la aparición de reacciones químicas en su medio activo. En este caso, la inversión de población se produce directamente en los productos de reacción o en impurezas especialmente introducidas con una estructura adecuada de niveles de energía. El bombeo de láseres semiconductores se produce bajo la influencia de una fuerte corriente directa a través de la unión p-n, así como de un haz de electrones. Existen otros métodos de bombeo (dinámico de gases, que implica un enfriamiento brusco de gases precalentados; fotodisociación, un caso especial de bombeo químico, etc.).

En la figura: a - circuitos de bombeo de tres niveles y b - de cuatro niveles para el medio activo del láser.

El clásico sistema de bombeo de medio de trabajo de tres niveles se utiliza, por ejemplo, en el láser de rubí. El rubí es un cristal de corindón Al 2 O 3 dopado con una pequeña cantidad de iones de cromo Cr 3+, que son la fuente de radiación láser. Debido a la influencia del campo eléctrico de la red cristalina de corindón, el nivel de energía externo del cromo mi 2 está dividido (ver efecto Stark). Esto es lo que permite utilizar radiación no monocromática como bombeo. En este caso, el átomo pasa del estado fundamental con energía. mi 0 en emocionado con energía sobre mi 2. Un átomo puede permanecer en este estado durante un tiempo relativamente corto (alrededor de 10-8 s); una transición no radiativa al nivel ocurre casi inmediatamente. mi 1, donde un átomo puede permanecer mucho más tiempo (hasta 10 −3 s), este es el llamado nivel metaestable. Surge la posibilidad de radiación inducida bajo la influencia de otros fotones aleatorios. Tan pronto como hay más átomos en estado metaestable que en el estado principal, comienza el proceso de generación.

Cabe señalar que para crear una inversión de población de átomos de cromo Cr mediante bombeo directamente desde el nivel mi 0 por nivel mi 1 no es posible. Esto se debe a que si la absorción y la emisión estimulada ocurren entre dos niveles, entonces ambos procesos ocurren al mismo ritmo. Por tanto, en este caso, el bombeo sólo puede igualar las poblaciones de dos niveles, lo que no es suficiente para que se produzca el láser.

Algunos láseres, por ejemplo los láseres de neodimio, en los que la radiación se genera utilizando iones de neodimio Nd 3+, utilizan un esquema de bombeo de cuatro niveles. Aquí entre metaestable mi 2 y nivel principal mi 0 hay un nivel intermedio - de trabajo mi 1 . La emisión estimulada ocurre cuando un átomo pasa de un nivel a otro. mi 2 y mi 1 . La ventaja de este esquema es que en este caso es fácil satisfacer la condición de inversión de población, ya que la vida útil del nivel operativo superior es ( mi 2) varios órdenes de magnitud más larga que la vida útil del nivel inferior ( mi 1). Esto reduce significativamente los requisitos para la fuente de bombeo. Además, este esquema permite crear láseres de alta potencia que funcionan en modo continuo, lo cual es muy importante para algunas aplicaciones. Sin embargo, estos láseres tienen un inconveniente importante en forma de baja eficiencia cuántica, que se define como la relación entre la energía del fotón emitido y la energía del fotón de bomba absorbido (η cuanto = hν radiación / hν bomba)

Es difícil hoy en día encontrar una persona que nunca haya escuchado la palabra "láser" Sin embargo, muy pocos entienden claramente de qué se trata.

En el medio siglo transcurrido desde su invención, diversos tipos de láseres han encontrado aplicación en una amplia gama de áreas, desde la medicina hasta la tecnología digital. Entonces, ¿qué es un láser, cuál es su principio de funcionamiento y para qué sirve?

¿Qué es un láser?

La posibilidad de la existencia de láseres fue predicha por Albert Einstein, quien en 1917 publicó un artículo en el que hablaba de la posibilidad de que los electrones emitieran cuantos de luz de cierta longitud. Este fenómeno se denominó emisión estimulada, pero durante mucho tiempo se consideró irrealizable desde un punto de vista técnico.

Sin embargo, con el desarrollo de capacidades técnicas y tecnológicas, la creación de un láser se convirtió en una cuestión de tiempo. En 1954, los científicos soviéticos N. Basov y A. Prokhorov recibieron el Premio Nobel por la creación de un máser, el primer generador de microondas que funciona con amoníaco. Y en 1960, el estadounidense T. Maiman produjo el primer generador cuántico de haces ópticos, al que llamó láser (amplificación de luz por emisión estimulada de radiación). El dispositivo convierte la energía en radiación óptica de dirección estrecha, es decir, haz de luz, una corriente de cuantos de luz (fotones) de alta concentración.

Principio de funcionamiento del láser

El fenómeno en el que se basa el funcionamiento de un láser se denomina radiación del medio forzada o inducida. Los átomos de una determinada sustancia pueden emitir fotones bajo la influencia de otros fotones, y la energía del fotón actuante debe ser igual a la diferencia entre los niveles de energía del átomo antes y después de la radiación.

El fotón emitido es coherente con el que provocó la radiación, es decir exactamente como el primer fotón. Como resultado, el débil flujo de luz en el medio se amplifica, y no de forma caótica, sino en una dirección determinada. Se forma un haz de radiación estimulada, que se llama láser.

Clasificación láser

A medida que se estudiaron la naturaleza y las propiedades de los láseres, se descubrieron varios tipos de estos rayos. Dependiendo del estado de la sustancia inicial, los láseres pueden ser:

• gas;
• líquido;
• de Estado sólido;
• sobre electrones libres.

Actualmente, se han desarrollado varios métodos para producir un rayo láser:

• utilizando un resplandor eléctrico o una descarga de arco en un ambiente gaseoso - descarga de gas;
• utilizar la expansión del gas caliente y la creación de inversiones de población: dinámica del gas;
• haciendo pasar corriente a través de un semiconductor con excitación del medio: diodo o inyección;
• mediante bombeo óptico del medio con lámpara de flash, LED, otro láser, etc.;
• mediante bombeo del medio por haz de electrones;
• bombeo nuclear cuando la radiación proviene de un reactor nuclear;
• utilizando reacciones químicas especiales: láseres químicos.

Todos ellos tienen sus propias características y diferencias, gracias a las cuales se utilizan en diversos campos de la industria.

Uso práctico de láseres.

Hoy en día, los láseres de diversos tipos se utilizan en decenas de industrias, medicina, tecnologías de la información y otros campos de actividad. Con su ayuda se lleva a cabo lo siguiente:

• corte y soldadura de metales, plásticos y otros materiales;
• aplicar imágenes, inscripciones y marcar la superficie de productos;
• perforación de orificios ultrafinos, mecanizado de precisión de piezas de cristal semiconductor;
• formación de recubrimientos de productos mediante pulverización, revestimiento, aleación de superficies, etc.;
• transmisión de paquetes de información mediante fibra de vidrio;
• realizar operaciones quirúrgicas y otras intervenciones terapéuticas;
• procedimientos cosméticos para rejuvenecimiento de la piel, eliminación de formaciones defectuosas, etc.;
• apuntar a diversos tipos de armas, desde armas pequeñas hasta misiles;
• creación y uso de métodos holográficos;
• aplicación en diversos trabajos de investigación;
• medición de distancias, coordenadas, densidad de los medios de trabajo, velocidad del flujo y muchos otros parámetros;
• Lanzamiento de reacciones químicas para llevar a cabo diversos procesos tecnológicos.

Hay muchas más áreas en las que el láser ya se utiliza o encontrará aplicación en un futuro muy próximo.