Laser diodo

Un rayo láser es radiación electromagnética generada de tal forma que posee una gran coherencia. Decimos que una onda es coherente cuando no hay un desfase brusco de un punto a otro cercano, o de un instante de tiempo a otro próximo. La frecuencia de la luz de láser ( laser diodo )cae generalmente dentro del visible, pero también lo puede hacer en el infrarrojo y en el ultravioleta.

laser diodo

Cuando un átomo está excitado, lo que puede deberse a que haya absorbido un fotón o a la temperatura de la muestra, puede perder energía mediante la emisión de un fotón. Existen dos formas de emisión: espontánea y estimulada (o inducida). En la emisión espontánea, cada átomo emite un fotón independientemente de los otros átomos y fotones que haya. En la estimulada, la probabilidad de emisión aumenta con la presencia de fotones en el entorno y los nuevos fotones están en fase con los ya existentes.

En situaciones normales, los estados electrónicos de los átomos (o los sólidos) están ocupados de acuerdo con la temperatura de la muestra, pero la probabilidad de ocupación es siempre una función decreciente de la energía: el nivel de menor energía es el más lleno, le sigue en ocupación el segundo nivel energético, y así sucesivamente. Cuando llega un fotón a la muestra, es mucho más fácil que sea absorbido a que produzca emisión inducida, ya que los estados menos energéticos están más ocupados. La emisión estimulada es despreciable y domina la emisión espontánea, producida por las transiciones independientes de electrones térmicamente excitados. Cada una de estas transiciones produce una onda de unos 10-9 s de duración, cuya fase no está relacionada ni con las emitidas antes o después, ni con las producidas en otros puntos de la muestra. Por eso se dice que la luz ordinaria no posee ni coherencia temporal ni espacial. No hay correlación entre las fases de la luz en intervalos temporales de más de 10-9 s, ni entre las fases de los distintos rayos de un haz.

La situación cambia drásticamente cuando existe un determinado nivel electrónico más ocupado que otro de menor energía, fenómeno que se conoce como inversión de población. Dicha situación puede conseguirse por distintos métodos, como veremos más adelante. Cuando existe una inversión de población, la emisión estimulada puede llegar a dominar a la espontánea. Al llegar un fotón con energía igual a la diferencia energética entre los niveles con inversión de población, será más probable que se emita un nuevo fotón, pasando un electrón del nivel alto al bajo, a que sea absorbido el fotón original.

La emisión estimulada es favorecida cuando se coloca la muestra entre dos espejos paralelos, de forma que los fotones se quedan resonando entre ambos e induciendo cada vez más fotones. Los espejos aseguran, además, que todos los fotones tengan la misma longitud de onda, pues se producen ondas estacionarias, y que éstos viajen en la dirección perpendicular a ellos, pues de lo contrario son rápidamente absorbidos por las paredes. Uno de los espejos permite la salida de parte de la luz. Se tiene entonces una fuente muy intensa de luz coherente y muy bien alineada.

A continuación describiremos los tres tipos de láser (o formas de producir una inversión de población) más empleados en la actualidad. Quizá la manera más conocida dé producir una inversión de población es por medio del denominado bombeo óptico, método que se emplea, por ejemplo, en los láser de/ufó El cristal de rubí tiene los tres estados de energía más baja tal como se representa en la ilustración. Por medio de pulsos de luz ordinaria, cuyos fotones posean una energía de 2,2 eV, se excita un gran número de electrones del estado fundamental al segundo estado excitado. Dicho estado es altamente inestable, por lo que los electrones decaen rápidamente al primer estado excitado, que es metaestable. (La estabilidad de los estados depende de la forma de sus orbitales correspondientes.) Se produce así una inversión de población entre el estado fundamental y el primer estado excitado. El rayo láser que se obtiene posee una longitud de onda de 694 nm, correspondiente a una energía fotónica de 1,8 eV. Este tipo de láser funciona discontinuamente, a pulsos, cuya frecuencia máxima está limitada por el calentamiento.

Podemos observar que, en los láser de bombeo óptico, se necesitan tres nivel para que se produzca la inversión de población. Con sólo dos niveles es muy difícil producirla, pues si el nivel excitado es metaestable cuesta mucho bombear electrones a él (de lo contrario no sería metaestable, ya que las probabilidades de absorción y emisión son proporcionales entre sí), y si no lo es, los electrones no permanecen en él un tiempo suficiente.

Un segundo tipo de láser es el de gas. Un ejemplo típico del mismo es el de He-Ne. Una mezcla de estos átomos está contenida en un tubo por el que se hace pasar una corriente eléctrica cuya misión es excitar electrones de los átomos de He y Ne. Muchos de ellos se acumulan en el primer estado excitado del helio, debido a que la transición de dicho nivel al fundamental, mediante la emisión de un fotón, no está permitida. Choques entre átomos excitados de He y no excitados de Ne producen, con frecuencia, una transferencia de energía por la que los átomos de He se desexcitan, mientras que los de Ne pasan al segundo nivel excitado, transiciones que poseen la misma energía, como puede apreciarse en la ilustración. La inversión de población se produce entre el primero y el segundo estado excitado de Ne. Este tipo de láser, a diferencia del anterior, puede operar de forma continua.
laser diodo 1

Una tercera clase de láser es el de semiconductores. Está formado por una unión p — n, cuyos niveles energéticos se muestran en la ilustración. Cuándo a dicha unión se le aplica un campo eléctrico, pueden pasar electrones de la banda de valencia de la zona p a la banda de conducción de la zona n. La luz láser se produce al caer el electrón de la banda de conducción a la de valencia.
laser diodo 2

En todos los tipos de láser, la energía del rayo láser proviene de la energía empleada en la inversión de población, que, por tanto, ha de ser mayor que aquélla. La eficiencia del láser es la relación entre la energía luminosa de salida y la suministrada. La eficiencia de los dos primeros tipos de láser es de menos del 20%, mientras que en los de semiconductores es de hasta un 65%, si bien las potencias de éstos son menores que las de aquéllos.

Los láser han revolucionado muchos aspectos de la física, la técnica y la medicina. Mientras que un gran número de aplicaciones físicas y de telecomunicaciones de los láser se basa en su coherencia espacial o temporal, la práctica totalidad de sus aplicaciones médicas hasta la fecha lo hacen en su amplio poder focalizador y alta intensidad luminosa. Los láser se utilizan en las fibras ópticas, en los dispositivos optoelectrónicos, para destruir o cortar materiales, y en muchas técnicas de diagnosis. Consiguen una gran precisión en medidas de longitudes, tiempos y frecuencias. Los relojes atómicos, los más precisos en la actualidad, utilizan luz de láser.


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