SISTEMA LASER

SISTEMA LASER
Introducción
Anteriormente se presentaron los procesos físicos necesarios para producir
amplificación de la luz en un sistema atómico. Ahora la atención se centra en cómo puede
lograrse lo anterior en la práctica. ¿Cuáles son las restricciones impuestas al intentar
producir un amplificador óptico verdadero? En otras palabras, ¿cómo se elabora un láser?
Amplificadores ópticos: láser
Los requisitos básicos en cualquier láser son idénticos. En primer lugar, se necesita un
medio que presente la estructura de nivel de energía deseada para permitir el efecto láser.
El medio puede ser un gas, un cristal sólido aislante, un líquido ó un cristal semiconductor,
por consiguiente, se tienen láser de estado sólido, láser gaseoso, láser coloreado y láser
semiconductor, por mencionar algunos de los tipos de láser más conocidos. En segundo
lugar, para establecer una inversión de poblaciones, es necesario bombear energía al
sistema. El método de bombeo utilizado, también depende del medio activo. En el láser
gaseoso, la excitación se suministra generalmente haciendo pasar una descarga eléctrica a
través del gas; el láser de estado sólido suelen bombearse inundando el cristal con
radiación intensa de un tubo de destellos; Los láser coloreados se bombean mediante una
lámpara estroboscópica ó a partir de otro láser; los láser semiconductores se bombean al
dispositivo por medio de una inyección de corriente. Por último, se necesita un mecanismo
mediante el cuál sea posible introducir realimentación óptica y así mantener la ganancia del
sistema por encima de todas las pérdidas. Como se vio antes, esto se logra al limitar el
medio entre dos reflectores para formar una cavidad resonante óptica. En la Fig.15 se
muestra el sistema láser completo.
Figura 15.- Esquema de los elementos de un láser
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Aunque actualmente existen a disposición varios cientos de láser diferentes, en
ingeniería sólo son de uso común unos cuántos tipos. En la tabla siguiente se enumeran las
características de los principales tipos de láser. Se intentará proporcionar bastantes
elementos para la comprensión del diseño, funcionamiento y propiedades de tales láser.
Debe tenerse en cuenta que el diseño de los láser modernos es más complicado que como
aquí se presenta. Sólo se pretende que el lector obtenga una idea acerca de los factores que
intervienen en tal diseño. Por ejemplo, en todos los análisis realizados hasta el momento se
ha expuesto la existencia de una cavidad óptica limitada por reflectores paralelos. En la
práctica se adoptan muchas disposiciones de espejos.
Debido a que, como se verá posteriormente, los haces láser tienden a entregar su alto
flujo de salida en un haz direccional bastante estrecho, algunas veces es apropiado analizar
la salida en términos de la irradiancia, o flujo por unidad e área incidente sobre una
superficie.
CLASIFICACIÓN DE LOS LÁSER
Medio
HeNe
Argón
CO2
Rubí
Nd - YAG
GaAlAs
GaAsP
Ar –
Fluoruro
Kr–Fluoruro
Bombeado
con láser de
iones
Bombeado
con láser de
pulsos
Principales
longitudes de
onda
Salida
Modo
LÁSER GASEOSO
633 nm
0.1 – 50 mW
Continuo
488 ó 514nm 5mW - 20W
Continuo
10.6µm
20W – 15kW
Continuo
Eficiencia
típica %
Diámetro del
haz típico
(mm)
0.1
0.1
10
1
1
25
LÁSER DE ESTADO SÓLIDO
30mJ – 100J
Pulsos
0.5
10mJ – 150J
Pulsos
1-2
LÁSER SEMICONDUCTOR
750 – 905nm
1 – 40mJ
Continuo
Hasta 20
1.1 - 1.6µm
1 – 10mW
Continuo
Hasta 20
LÁSER EXIMER
193nm
50W
Pulsos
Hasta 1
694nm
1.064µm
248nm
400–1000nm
ajustable
300–1000nm
ajustable
100W
Pulsos
LÁSER COLOREADO
Hasta 2W
Continuo
Hasta 15W
Pulsos
5 - 10
1 – 10
2x4 – 25x30
Hasta 2
2x4 – 25x30
5 - 25
0.6 – 1
Depende de
la luz de
bombeo
2 - 10
Propiedades del láser.
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Para poder comparar los sistemas de láser comunes es pertinente presentar aquí las
principales propiedades y parámetros de los láser y de la luz láser.
Potencia radiante.
Una de las características mas importante es su capacidad para proporcionar alta
potencia radiante en modo de pulsos ó continuo. La potencia por pulsos varía desde unos
cuantos watts producidos por láser semiconductores hasta aproximadamente 10 watts
proporcionados por láser de estado sólido en sistemas de fusión láser. La potencia óptica
continua, varía desde unos cuantos miliwatts en láser de HeNe hasta varios kilowatts
proporcionados por láser de CO2.
Coherencia.
Una de las características más extraordinarias de los láser gaseosos es la emisión de un
haz estrecho de luz cintilánte que se utiliza para producir efectos vistosos en espectáculos a
base de luz láser.
El alto grado de paralelismo, direccionhabilidad y monocromaticidad se observa en
alguna medida en todos los láser y está relacionado con la coherencia del haz. Es posible
identificar dos tipos de coherencia: la temporal, que define la constancia de fase del haz
entre dos instantes dados en el tiempo y la espacial, que define la constancia de fase del haz
entre dos puntos a través del frente de ondas (figura 16). Los parámetros mencionados se
modifican a su vez por el diseño de la cavidad óptica y por la estructura de energía del
medio láser.
Figura 16.- Luz coherente e incoherente. (a) Incoherente espacial y temporalmente;
(b) Coherente espacial y temporalmente.
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Longitud de coherencia.
Para fines prácticos, la coherencia temporal se describe mejor en términos de la
longitud de coherencia del láser. Si la salida de un haz láser se divide en dos partes y se
recombina luego de haber recorrido dos trayectorias diferentes de igual longitud, los dos
haces interferirán, formando un patrón de interferencia en el punto de la recombinación.
Al cambiar la longitud de la trayectoria de un haz con respecto a la otra se reduce la
visibilidad del patrón de interferencia hasta que en algún punto, cuando las longitudes de
las trayectorias difieran por ± IC , ya no haya interferencia. El parámetro Ic define la
longitud de coherencia del láser.
La longitud de coherencia está relacionada con la monocromaticidad o ancho de línea
del haz según la expresión:
Ic = c / ∆f
Mientras más estrecho sea el ancho de línea mayor será el grado de coherencia.
El ancho de línea también está, como ya se vio antes, relacionado con el número de
modos longitudinales que es posible mantener en una cavidad óptica. Al restringir el láser
de forma que opere en un modo longitudinal único es posible reducir su ancho línea y por
tanto incrementar su longitud de coherencia. Los anchos de línea para los láser de
operación en modos múltiples suelen ser de decenas de Giga hertz, con lo que se obtienen
longitudes de coherencia de unos cuantos milímetros. Al operar en un modo longitudinal
único, los anchos de línea se reducen a unos cuantos cientos de Mega hertz, originando
longitudes de coherencia de unos metros. En contraste, los mayores anchos de línea de láser
de estado sólido originan longitudes de coherencia de fracciones de milímetro en operación
de modos múltiples y de aproximadamente un metro en operación de modo único.
Es en aplicaciones como la holografía que la longitud de coherencia es de suma
importancia, ya que determina efectivamente la distancia que pueden recorrer dos ondas
mutuamente coherentes y seguir produciendo un patrón de interferencia.
Divergencia del haz.
La coherencia espacial de un haz láser se define por medio del número de modos de
cavidad transversal que puede permitir la cavidad, la que a su vez está relacionada con la
dispersión angular o divergencia del haz a medida que abandona la cavidad. La dispersión
angular se debe ala difracción, o curvatura, experimentada por la luz a medida que pasa por
una abertura. La divergencia ∆θ del haz o la cantidad por la cual se incrementa el diámetro
del haz a través de una distancia dada es mínima para los modos de orden más bajo. Por
consiguiente, un láser que oscila en el modo fundamental EMT 00 exhibirá máxima
coherencia espacial y mínima divergencia. La divergencia suele medirse en radianes. Por
ejemplo una divergencia de 1 mR corresponde a un incremento de 1 mm en el diámetro a lo
largo de 1 m de recorrido. La divergencia es mínima para los láser gaseosos a
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aproximadamente 0.5 mR que se incrementan hasta láser de estado sólido a
aproximadamente 5 mR hasta los 20 mR o algo así para los láser semiconductores.
Con la divergencia también se relaciona la capacidad de enfocar un haz láser aun
pequeño tamaño de punto. El diámetro d al que es posible enfocar un haz láser mediante
una lente de distancia focal f suele expresarse como:
d= 2f ∆θ
Por consiguiente, los menores tamaños de punto se obtienen para los láser que operan
en el modo fundamental EMT00.
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