LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

LASER – Introducción a la Tecnología Fotónica – J. Gutiérrez R.
LASER
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
 Cuando en un determinado medio (gas, semiconductor, dieléctrico,
etc.) un electrón que se encuentra en un estado de energía
desciende a otro estado de energía inferior, la energía que pierde
puede desprenderse mediante la emisión de un fotón de Energía: E
= h·v. Esto es lo que se denomina Emisión. No obstante, los
descensos de energía también pueden ser no emisivos.
 Por lo contrario, un fotón puede ser absorbido por un electrón, lo
que causa la elevación de éste a un estado superior de energía. Esto
es lo que se denomina Absorción.
 La emisión es habitualmente espontánea, esto es, un electrón en un
estado excitado retorna a su estado normal de forma natural, sin la
intervención de agentes externos.
 Pero la emisión puede ser estimulada. Este proceso consiste en que
la presencia de un fotón de la misma energía que la requerida para
que los electrones desciendan a niveles inferiores, estimula a éstos
a la transición a dichos niveles con emisión de un fotón idéntico.
 La emisión estimulada, por tanto, puede tener efecto multiplicativo,
lo que produce la amplificación de luz (láser).
 La Ganancia se mide por el porcentaje de incremento de fotones
por unidad de longitud del medio.
 La emisión estimulada tiene propiedades importantes: el fotón
emitido es de la misma longitud de onda y de la misma fase que el
fotón que lo ha estimulado  Luz coherente.
 La emisión estimulada se produce en un rango de longitudes de
onda normalmente muy estrecho, pero no infinitamente estrecho,
dado que los niveles de energía tampoco lo son y las transiciones
no son todas de exactamente la misma energía. No obstante, a
muchos efectos, el láser se puede considerar monocromático.
 En el estado normal del medio, la emisión estimulada se compensa
con la absorción, de forma que la emisión predominante es la
emisión espontánea.
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 En efecto, los electrones tienden a
E
situarse en el nivel de mínima
energía, con lo que, si el medio se
Distribución de Fermi-Dirac
encuentra en equilibrio térmico, la
probabilidad de ocupación de un
nivel de energía E sigue una
E = Nivel de Fermi
Ef
distribución como la indicada en
la figura (Distribución de Fermi–
Dirac). Así, es mucho más fácil
que un fotón sea absorbido en vez
de estimular otra emisión.
0.5
1
P
 Por consiguiente, se hace
necesario excitar electrones hacia
los niveles altos con el fin de que la población de electrones en esos
niveles sea tal que la probabilidad de estimulación de emisión sea
bastante superior a la de absorción. Esta situación es la que se
denomina Inversión de Población.
 El mecanismo por el que se provoca la elevación de electrones de
la banda de valencia a la banda de conducción se denomina
Bombeo. Si el bombeo es muy intenso, se puede llegar a conseguir
la inversión de población. Hay mucha variedad de mecanismos de
bombeo, especialmente en los gases. Los principales son: por
inyección de portadores a través de una unión p-n, por incidencia
de un haz de electrones, por agentes químicos exotérmicos, por
radiofrecuencia o microondas, por excitación óptica, por
calentamiento, etc.
 La inversión de población basta para producir láser, pero el
resultado es sólo una emisión monocromática coherente difundida.
Sin embargo, una buena parte de las características útiles del láser
vienen de la oscilación de la luz dentro de una cavidad y su
concentración en haces muy estrechos. No obstante, el láser sin
cavidad (amplificación de luz) tiene muchas aplicaciones.
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 Estas cavidades reciben el nombre de cavidades de Fabri-Perot, en
honor de sus descubridores. En la figura se han representado dos
tipos de cavidades: plana y esférica. Por basarse en fenómenos de
resonancia, como se verá a continuación, también se llaman
resonadores.
 En teoría, una cavidad podría almacenar energía hasta el infinito,
pues toda la energía que recibiera se iría almacenando en su
interior. Sin embargo, en la práctica, por un lado, tienen pérdidas y,
por otro, se les da salida al exterior mediante, bien un agujero o
bien un espejo semitransparente en uno de sus reflectores.
 Una cavidad por sí misma, sin un medio láser en su interior, no
sólo es capaz de almacenar energía, sino que selecciona por
resonancia sólo unas ciertas longitudes de onda. Es decir, sólo
permite unos ciertos modos de oscilación.
 Puesto que las paredes son reflectantes, el campo en su superficie
es nulo, de forma que, si la distancia entre ambas es d, las únicas
soluciones posibles son las que cumplen que dicha distancia sea un
múltiplo entero de la mitad de la longitud de onda:
λ
2d
q
2
Visto de otra forma, el desfasaje por el trayecto de ida y vuelta
ha de ser un múltiplo de 2π :
2π
2d
⋅ 2d = q ⋅ 2π ⇒ λ =
ϕ = k ⋅ 2d = q ⋅ 2π ⇒
q
λ
d =q
(q
Entero )
⇒
λ=
En la figura se muestra un conjunto de posibles modos en una
cavidad.
 Puesto que las longitudes de onda ópticas son muy pequeñas,
λ << d, se produce una infinidad de modos posibles. Sin embargo,
las longitudes de onda existentes se circunscriben al rango de la
radiación que se introduce o genera en la cavidad.
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 Por esta razón, una de las aplicaciones de las cavidades es actuar
como filtro de luz.
 Si en el interior de la cavidad existe un medio susceptible de
emisión estimulada y se provoca la inversión de población,
estamos ante un dispositivo láser.
 En este caso, la anchura de banda se reduce a la estrechez de la
emisión estimulada posible, a pesar de que el resonador acepte una
gama de frecuencias muy extensa.
 Un aspecto destacable de los
Potencia Láser
dispositivos laser es el umbral: sólo se
produce la emisión cuando la
amplificación excede las pérdidas más la
transmisión del espejo de salida. En la
figura se puede ver una curva típica de la
relación entre potencia de bombeo y
Potencia de Bombeo
potencia láser emitida.
 A excepción de los láseres de alta ganancia, todos los demás se
basan en resonadores.
 Los amplificadores láser, sin embargo, no tienen cavidad de
espejos. En lugar de ello contienen un medio activo que amplifica
el haz por medio de una fuente de luz aparte.
 La divergencia del haz, o ángulo de emisión a 3 dB’s, se puede
estimar igual que en una antena con iluminación uniforme en su
apertura:
θ = 1.22
λ
D
siendo D el diámetro del orificio o espejo de salida, es decir, la
apertura del radiador.
Tipos de Láseres
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

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
Gas o excímero
Estado sólido
Semiconductor
De colorante
Químicos
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 Los láseres de gas consisten en realizar la inversión de población
en un gas, normalmente por descarga electrónica en un tubo con el
gas a baja presión. Ejemplos de ello con los láseres de Helio-Neon
(He-Ne) (632.8 nm), de ion de Argon (Ar+) (488 a 515 nm), de
Nitrógeno (N2) (317.1 nm), etc. Los láseres de excímero reciben
ese nombre como abreviatura de dímero excitado (excited dimer).
Un dímero es una molécula formada a partir de dos átomos
idénticos o dos moléculas idénticas. Ejemplos de ello son los de
Xenon (Xe2) (172 y 175 nm), Kripton (Kr2) (146 nm) o Argon
(Ar2) (126 nm) y halogenuros como el ArF (193 nm), el KrF (248
nm), el XeBr (282 nm), el XeCl (308 nm) el XeF (351 nm) y el
KrCl (222 nm).
 Los láseres de estado sólido se basan en sólidos dieléctricos
cristalinos o cristal dopado. El elemento activo es un ion
introducido en la red cristalina del sólido al cual se le suele
denominar Host. Ejemplos de ello son los de rubí sintético (CrO3
en Al2O3) (693.4 nm), Erbio (Er) (1540 nm) o Preseodimio (Pr)
(1300 nm) como dopantes de fibras ópticas o el Neodimio sobre
granate de Itrio y Aluminio (Nd:YAG) (1064 nm). Los hosts han
de ser transparentes y con buena capacidad de disipar calor 
Granates y rubíes sintéticos, silicatos, fosfatos y fluorofosfatos. Los
dopantes suelen sustituir a un componente del cristal, tal como el
Neodimio en el NdP5O14.
 Los láseres de semiconductor, como su nombre indica se basan en
provocar la inversión de población en un semiconductor, para lo
cual, el bombeo se suele provocar por la inyección de portadores
minoritarios a través de una unión p-n. Estas uniones p-n pueden
utilizarse al mismo tiempo para formar una cavidad resonante. Con
corrientes de excitación bajas, la emisión es mayoritariamente
espontánea. Es el fundamento de los LED’s. Pero si la densidad de
corriente es alta y el semiconductor incluye caras reflectantes a
modo de resonador o realimentación óptica, entonces se produce el
láser.
 Los láseres de colorante utilizan colorantes orgánicos como medio
activo para el láser. Ejemplos de ello son la Rodamina 6G y la
Oxacina. Su característica es que son sustancias altamente
fluorescentes y los láseres construidos con ellas ofrecen un rango
de longitudes de onda más amplio que en otros tipos de láseres. La
longitud de onda se sintoniza mediante el uso de la cavidad
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resonante apropiada. Así la rodamina 6G se extiende entre los 570
y los 660 nm, y la oxacina entre 700 y 830 nm.
 Los láseres químicos utilizan reacciones químicas altamente
exotérmicas de forma que la elevada temperatura provoque estados
excitados en un gas que produzca el láser. Cuando se inyecta gas de
hidrogeno en un reactor a alta temperatura de hexafluoruro de
azufre (SF6) se produce fluoruro de hidrógeno (FH) o difluoruro de
hidrógeno (F2H). El calor de la reacción lleva a estas sustancias al
estado excitado produciéndos el láser.
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