Láser: dispositivo y principio de funcionamiento

Comportamiento normal de la luz al pasar por un medio

Normalmente, cuando la luz atraviesa un medio, su intensidad disminuye. El valor numérico de esta atenuación se puede encontrar a partir de la ley de Bouguer:

En esta ecuación, además de las intensidades de luz I que entran y salen del medio, también hay un factor llamado coeficiente de absorción de luz lineal del medio. En óptica tradicional, este coeficiente es siempre positivo.

Absorción de luz negativa

¿Qué pasa si por alguna razón el coeficiente de absorción es negativo? ¿Entonces que? Habrá amplificación de la luz a medida que pasa a través del medio; de hecho, el medio mostrará una absorción negativa.

Las condiciones para observar tal imagen pueden crearse artificialmente. El concepto teórico sobre el camino a la implementación del fenómeno propuesto fue formulado en 1939 por el físico soviético Valentin Alexandrovich Fabrikant.

En el transcurso del análisis de un hipotético medio amplificador de luz que pasa a través de él, Fabrikant propuso el principio de amplificación de luz. Y en 1955los físicos soviéticos Nikolai Genadievich Basov y Alexander Mikhailovich Prokhorov aplicaron esta idea Fabrikant a la región de radiofrecuencia del espectro electromagnético.

Considere el lado físico de la posibilidad de absorción negativa. En una forma idealizada, los niveles de energía de los átomos se pueden representar como líneas, como si los átomos en cada estado tuvieran solo energías E1 y E2 estrictamente definidas. Esto significa que al pasar de un estado a otro, un átomo emite o absorbe exclusivamente luz monocromática de una longitud de onda definida con precisión.

Pero la realidad está lejos de ser ideal, y de hecho los niveles de energía de los átomos tienen un cierto ancho finito, es decir, no son líneas de valores exactos. Por tanto, durante las transiciones entre niveles, existirá también un cierto rango de frecuencias emitidas o absorbidas dv, que depende de la amplitud de los niveles de energía entre los que se produce la transición. Los valores de E1 y E2 se pueden usar para indicar solo los niveles de energía medios del átomo.

Entonces, dado que hemos asumido que E1 y E2 son los puntos medios de los niveles de energía, podemos considerar un átomo en estos dos estados. Sea E2 > E1. Un átomo puede absorber o emitir radiación electromagnética cuando pasa entre estos niveles. Supongamos que, estando en el estado fundamental E1, un átomo absorbió radiación externa con energía E2-E1 y pasó a un estado excitado E2 (la probabilidad de tal transición es proporcional al coeficiente de Einstein B12).

Al estar en un estado excitado E2, el átomo bajo la acción de la radiación externa con energía E2-E1 emite un cuanto con energía E2-E1 y se ve obligado a pasar al estado fundamental con energía E1 (la probabilidad de tal transición es proporcional a el coeficiente de Einstein B21).

Si un haz paralelo de radiación monocromática con densidad espectral de volumen w (v) pasa a través de una sustancia cuya capa tiene un área de sección transversal unitaria y un grosor dx, entonces su intensidad cambiará en el valor:

Aquí n1 es la concentración de átomos en los estados E1, n2 es la concentración de átomos en los estados E2.

Sustituyendo las condiciones en el lado derecho de la ecuación, asumiendo que B21 = B12, y luego sustituyendo la expresión por B21, obtenemos la ecuación para el cambio en la intensidad de la luz en niveles de energía estrechos:

En la práctica, como se mencionó anteriormente, los niveles de energía no son infinitamente estrechos, por lo que se debe tener en cuenta su amplitud. Para no saturar el artículo con una descripción de transformaciones y un montón de fórmulas, simplemente notamos que al ingresar un rango de frecuencia y luego integrar sobre x, terminaremos con una fórmula para encontrar el coeficiente de absorción real de un promedio:

Dado que es obvio que en condiciones de equilibrio termodinámico, la concentración n1 de átomos en el estado de menor energía E1 es siempre mayor que la concentración n2 de átomos en el estado superior E2, la absorción negativa es imposible en condiciones normales, es imposible amplificar luz simplemente pasando por un entorno real sin tomar ninguna medida extra...

Para que la absorción negativa sea posible, es necesario crear condiciones en las que la concentración de átomos en un estado excitado E2 en el medio sea mayor que la concentración de átomos en el estado fundamental E1, es decir, es necesario organizar una distribución inversa de los átomos en el medio según sus estados de energía.

La necesidad de bombeo de energía del medio ambiente.

Para organizar una población invertida de niveles de energía (para obtener un medio activo) se utiliza el bombeo (por ejemplo, óptico o eléctrico). El bombeo óptico implica la absorción de la radiación dirigida hacia ellos por los átomos, por lo que estos átomos entran en un estado excitado.

El bombeo eléctrico en un medio gaseoso implica la excitación de átomos por colisiones inelásticas con electrones en la descarga de gas. Según Fabrikant, algunos de los estados de baja energía de los átomos deben eliminarse mediante impurezas moleculares.

Es prácticamente imposible obtener un medio activo usando bombeo óptico en un medio de dos niveles, ya que cuantitativamente las transiciones de átomos por unidad de tiempo del estado E1 al estado E2 y viceversa (!) en este caso serán equivalentes, lo que significa que es necesario recurrir al menos a un sistema de tres niveles.

Considere un sistema de bombeo de tres etapas. Deje que la radiación externa con la energía del fotón E3-E1 actúe sobre el medio mientras los átomos en el medio pasan del estado con la energía E1 al estado con la energía E3. Desde el estado de energía E3, son posibles las transiciones espontáneas al estado E2 y al E1. Para obtener una población invertida (cuando hay más átomos con el nivel E2 en un medio dado), es necesario hacer que el nivel E2 sea más duradero que el E3. Para ello, es importante cumplir con las siguientes condiciones:

El cumplimiento de estas condiciones significará que los átomos en el estado E2 permanecerán más tiempo, es decir, la probabilidad de transiciones espontáneas de E3 a E1 y de E3 a E2 excede la probabilidad de transiciones espontáneas de E2 a E1. Entonces, el nivel E2 resultará ser más duradero, y tal estado en el nivel E2 puede llamarse metaestable. Por lo tanto, cuando la luz con frecuencia v = (E3 — E1) / h pasa a través de un medio tan activo, esta luz se amplificará. De manera similar, se puede usar un sistema de cuatro niveles, luego el nivel E3 será metaestable.

Dispositivo láser

Así, el láser incluye tres componentes principales: un medio activo (en el que se crea la inversión de población de los niveles de energía de los átomos), un sistema de bombeo (dispositivo para obtener la inversión de población) y un resonador óptico (que amplifica la radiación muchas veces y forma un haz dirigido de la salida). El medio activo puede ser sólido, líquido, gas o plasma.

El bombeo se realiza de forma continua o pulsada. Con el bombeo continuo, el suministro del medio está limitado por el sobrecalentamiento del medio y las consecuencias de este sobrecalentamiento. En el bombeo pulsado, la energía útil introducida poco a poco en el medio se obtiene más debido a la gran potencia de cada pulso individual.

Láseres diferentes, bombeo diferente

Los láseres de estado sólido se bombean irradiando el medio de trabajo con potentes destellos de descarga de gas, luz solar enfocada u otro láser.Esto siempre es un bombeo pulsado porque la potencia es tan alta que la barra de trabajo colapsará bajo acción continua.

Los láseres de líquido y gas se bombean con una descarga eléctrica.Los láseres químicos suponen la ocurrencia de reacciones químicas en su medio activo, como resultado de lo cual la población atómica invertida se obtiene a partir de los productos de la reacción o de impurezas especiales con una estructura de nivel adecuada.

Los láseres semiconductores son bombeados por corriente directa a través de una unión pn o por un haz de electrones. Además, existen métodos de bombeo como la fotodisociación o el método dinámico de gases (enfriamiento abrupto de gases calentados).

Resonador óptico: el corazón del láser

El resonador óptico es un sistema de un par de espejos, en el caso más simple, dos espejos (cóncavos o paralelos) fijados uno frente al otro, y entre ellos a lo largo de un eje óptico común hay un medio activo en forma de cristal o un cubeta con gas. Los fotones que pasan en ángulo a través del medio lo dejan a un lado, y los que se mueven a lo largo del eje, al ser reflejados varias veces, se amplifican y salen a través de un espejo translúcido.

Esto produce radiación láser, un haz de fotones coherentes, un haz estrictamente dirigido. Durante un paso de luz entre los espejos, la magnitud de la ganancia debe exceder cierto umbral: la cantidad de pérdida de radiación a través del segundo espejo (cuanto mejor transmite el espejo, mayor debe ser este umbral).

Para que la amplificación de la luz se lleve a cabo de manera efectiva, es necesario no solo aumentar el camino de la luz dentro del medio activo, sino también asegurarse de que las ondas que salen del resonador estén en fase entre sí, entonces las ondas de interferencia darán la máxima amplitud posible.

Para lograr este objetivo, es necesario que cada una de las ondas en el resonador que regresa a un punto del espejo fuente y, en general, en cualquier punto del medio activo, esté en fase con la onda primaria después de un número arbitrario de reflexiones perfectas. . Esto es posible cuando el camino óptico recorrido por la onda entre dos retornos cumple la condición:

donde m es un número entero, en este caso la diferencia de fase será un múltiplo de 2P:

Ahora, dado que cada una de las ondas difiere en fase de la anterior en 2pi, esto significa que todas las ondas que salen del resonador estarán en fase entre sí, dando la máxima amplitud de interferencia. El resonador tendrá una radiación paralela casi monocromática en la salida.

El funcionamiento de los espejos dentro del resonador proporcionará amplificación de los modos correspondientes a las ondas estacionarias dentro del resonador; otros modos (surgidos debido a las peculiaridades de las condiciones reales) se debilitarán.

Láser de rubí: el primer estado sólido

El primer dispositivo de estado sólido fue construido en 1960 por el físico estadounidense Theodore Maiman. Era un láser de rubí (rubí, Al2O3, donde algunos de los sitios de la red, dentro del 0,5%, se reemplazan por cromo triplemente ionizado; cuanto más cromo, más oscuro es el color del cristal de rubí).

El primer láser de trabajo exitoso diseñado por el Dr. Ted Mayman en 1960.

Un cilindro de rubí hecho del cristal más homogéneo, con un diámetro de 4 a 20 mm y una longitud de 30 a 200 mm, se coloca entre dos espejos hechos en forma de capas de plata aplicadas a los extremos cuidadosamente pulidos de este cilindro. Una lámpara de descarga de gas en forma de espiral rodea un cilindro en toda su longitud y recibe alta tensión a través de un condensador.

Cuando se enciende la lámpara, el rubí se irradia intensamente, mientras que los átomos de cromo se mueven del nivel 1 al nivel 3 (están en este estado excitado por menos de 10-7 segundos), aquí es donde lo más probable es que pase a el nivel 2 se realizan, a un nivel metaestable. El exceso de energía se transfiere a la red cristalina de rubí. Las transiciones espontáneas del nivel 3 al nivel 1 son insignificantes.

La transición del nivel 2 al nivel 1 está prohibida por las reglas de selección, por lo que la duración de este nivel es de aproximadamente 10-3 segundos, que es 10 000 veces más que en el nivel 3, como resultado, los átomos se acumulan en el rubí con el nivel 2: esta es la población inversa del nivel 2.

Los fotones que surgen espontáneamente durante las transiciones espontáneas pueden causar transiciones forzadas del nivel 2 al nivel 1 y provocar una avalancha de fotones secundarios, pero estas transiciones espontáneas son aleatorias y sus fotones se propagan caóticamente, en su mayoría saliendo del resonador a través de su pared lateral.

Pero los de los fotones que inciden en el eje sufren múltiples reflejos de los espejos, provocando simultáneamente la emisión forzada de fotones secundarios, que provocan de nuevo la emisión estimulada, y así sucesivamente. Estos fotones se moverán en una dirección similar a la de los primarios y el flujo a lo largo del eje del cristal aumentará como una avalancha.

El flujo multiplicado de fotones saldrá por el espejo translúcido lateral del resonador en forma de un haz de luz estrictamente direccional de colosal intensidad. El láser de rubí opera a una longitud de onda de 694,3 nm, mientras que la potencia del pulso puede ser de hasta 109 W.

Láser de neón con helio

El láser de helio-neón (helio/neón = 10/1) es uno de los láseres de gas más populares. La presión en la mezcla de gases es de aproximadamente 100 Pa.El neón sirve como gas activo, produce fotones con una longitud de onda de 632,8 nm en modo continuo. La función del helio es crear una población inversa a partir de uno de los niveles de energía superiores del neón. El ancho de espectro de dicho láser es de aproximadamente 5 * 10-3 Hz Longitud de coherencia 6 * 1011 m, tiempo de coherencia 2 * 103 ° C.

Cuando se bombea un láser de helio-neón, una descarga eléctrica de alto voltaje induce la transición de los átomos de helio a un estado excitado metaestable del nivel E2. Estos átomos de helio chocan de manera inelástica con átomos de neón en el estado fundamental E1, transfiriendo su energía. La energía del nivel E4 del neón es superior al nivel E2 del helio en 0,05 eV. La falta de energía se compensa con la energía cinética de las colisiones atómicas. Como resultado, en el nivel E4 del neón se obtiene una población invertida con respecto al nivel E3.

Tipos de láseres modernos

Según el estado del medio activo, los láseres se dividen en: sólido, líquido, gas, semiconductor y también cristal. Según el método de bombeo, pueden ser: óptico, químico, descarga de gas. Por la naturaleza de la generación, los láseres se dividen en: continuos y pulsados. Estos tipos de láseres emiten radiación en el rango visible del espectro electromagnético.

Los láseres ópticos aparecieron más tarde que otros. Son capaces de generar radiación en el rango del infrarrojo cercano, dicha radiación (en una longitud de onda de hasta 8 micras) es muy adecuada para comunicaciones ópticas. Los láseres ópticos contienen una fibra en cuyo núcleo se han introducido varios iones de elementos de tierras raras adecuados.

La guía de luz, como ocurre con otros tipos de láseres, se instala entre un par de espejos.Para el bombeo, la radiación láser con la longitud de onda requerida se alimenta a la fibra, de modo que los iones de los elementos de tierras raras pasan a un estado excitado bajo su acción. Al volver a un estado de menor energía, estos iones emiten fotones con una longitud de onda más larga que la del láser iniciador.

De esta forma, la fibra actúa como fuente de luz láser. Su frecuencia depende del tipo de elementos de tierras raras añadidos. La fibra en sí está hecha de fluoruro de metal pesado, lo que da como resultado la generación eficiente de radiación láser en la frecuencia del rango infrarrojo.

Los láseres de rayos X ocupan el lado opuesto del espectro, entre ultravioleta y gamma, estos son órdenes de magnitudes con longitudes de onda de 10-7 a 10-12 m Los láseres de este tipo tienen el brillo de pulso más alto de todos los tipos de láseres.

El primer láser de rayos X se construyó en 1985 en los Estados Unidos, en el Laboratorio Livermore. Lorenzo. El láser generado en iones de selenio, el rango de longitud de onda es de 18,2 a 26,3 nm, y el brillo más alto cae en la línea de longitud de onda de 20,63 nm. Hoy en día, la radiación láser con una longitud de onda de 4,6 nm se ha logrado con iones de aluminio.

El láser de rayos X se genera mediante pulsos con una duración de 100 ps a 10 ns, que depende de la vida útil de la formación de plasma.

El hecho es que el medio activo de un láser de rayos X es un plasma altamente ionizado, que se obtiene, por ejemplo, cuando una película delgada de itrio y selenio se irradia con un láser de alta potencia en el espectro visible o infrarrojo.

La energía del láser de rayos X en un pulso alcanza los 10 mJ, mientras que la divergencia angular en el haz es de aproximadamente 10 milirradianes. La relación entre la potencia de la bomba y la radiación directa es de aproximadamente 0,00001.