Láser

Experimente con un láser ( Militares de los EEUU)

El término "láser" es un acrónimo de amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. Un láser típica emite luz en un estrecho y bajo la divergencia monocromática (de un solo color, si el láser está funcionando en el espectro visible), la viga con una bien definida longitud de onda. De esta manera, la luz láser es en contraste con una fuente de luz tal como el bombilla de luz incandescente, que emite luz sobre un área amplia y en un amplio espectro de longitudes de onda.

El primer láser de trabajo se demostró mayo 1960 por Theodore Maiman en Hughes Research Laboratories. Recientemente, los láseres se han convertido en una industria multimillonaria. El uso más extendido de los láseres está en dispositivos de almacenamiento ópticos, tales como discos compactos y DVD jugadores, en el que el láser (unos pocos milímetros de tamaño) escanea la superficie del disco. Otras aplicaciones comunes de los láseres son lectores de códigos de barras y punteros láser.

En la industria, láseres se utilizan para cortar acero y otros metales y para inscribir los patrones (tales como las letras en los teclados de ordenador). El láser también se utilizan comúnmente en diversos campos de la ciencia , especialmente la espectroscopía , típicamente debido a su longitud de onda bien definida o duración del pulso corto en el caso de los láseres pulsados. Los láseres son utilizados por los militares para la identificación de objetivos y la iluminación para la entrega de armas. Los láseres utilizados en la medicina se utilizan para la cirugía interna y aplicaciones cosméticas.

Diseño

Aunque la palabra luz en sus siglas inglesas amplificación de luz por emisión estimulada de radiación se usa normalmente en el sentido amplio, como los fotones de cualquier energía electromagnética; no se limita a los fotones en el espectro visible. Por lo tanto hay láseres infrarrojos, ultravioleta , rayos láser Láseres de rayos X, etc. Por ejemplo, una fuente de átomos en un estado coherente puede ser llamado un láser de átomos.

Un láser consiste en una medio de ganancia dentro de un altamente reflectante cavidad óptica, así como un medio para suministrar energía al medio de ganancia. El medio de ganancia es un material (gas, líquido, sólido o electrones libres) con propiedades ópticas adecuadas. En su forma más simple, una cavidad consta de dos espejos dispuestos de tal manera que la luz rebota hacia atrás y adelante, cada vez que pasa por el medio de ganancia. Típicamente, uno de los dos espejos, la acoplador de salida, es parcialmente transparente. El haz de láser de salida se emite a través de este espejo.

Luz de una longitud de onda específica que pasa a través del medio de ganancia es amplificados (aumentos en el poder); los espejos que rodean aseguran que la mayoría de la luz hace muchos toques por el medio de ganancia, la estimulación de la ganancia material continuamente. Parte de la luz que se encuentra entre los espejos (es decir, dentro de la cavidad) pasa a través del espejo parcialmente transparente y escapa en forma de un haz de luz.

El proceso de suministrar la energía necesaria para la amplificación se llama bombeo. La energía se suministra típicamente como una corriente eléctrica o como luz a una longitud de onda diferente. Una fuente de la bomba típica es una lámpara de flash o tal vez otro láser. La mayoría de los láseres prácticos contienen elementos adicionales que afectan a las propiedades tales como la longitud de onda de la luz emitida y la forma de la viga.

La física láser

Componentes principales:
1. Medio activo
Energía de bombeo 2. Láser
3. Alto reflector
4. Acoplador de salida
5. haz láser

La demostración láser de helio-neón en el Kastler-Brossel Laboratorio Univ. París 6. El rayo brillante en el centro es una luz eléctrica que produce la descarga de la misma manera como una luz de neón. Es el ganar medio a través del cual pasa el láser, no el propio rayo láser, que es visible allí. El rayo láser atraviesa el aire y marca un punto rojo en la pantalla a la derecha.

Espectro de un láser de helio-neón que muestra la muy alta pureza espectral intrínseca a casi todos los láseres. Comparar con la relativamente amplia emitancia espectral de un diodo emisor de luz.

Para entender los fundamentos de cómo los láseres funcionan y lo que hace que sus emisiones tan especial requiere el conocimiento de la interacción de la radiación electromagnética y la materia (véase la " introducción a la mecánica cuántica "artículo).

Un láser se compone de una medio activo láser, o medio de ganancia, y una resonante cavidad óptica. El medio de ganancia transfiere energía externa en el haz de láser. Es un material de pureza controlada, tamaño, concentración, y la forma, que amplifica el haz por el proceso de emisión estimulada. El medio de ganancia se energiza, o bombeado, mediante una fuente de energía externa. Ejemplos de fuentes de bomba incluyen electricidad y la luz, por ejemplo de una lámpara de flash o de otro láser. La energía de bombeo es absorbido por el medio de láser, la colocación de algunas de sus partículas en alta energía (" emocionado ") estados cuánticos. Las partículas pueden interactuar con la luz, tanto mediante la absorción de fotones o por los fotones que emiten. Emisión puede ser espontánea o estimulada. En este último caso, el fotón se emite en la misma dirección que la luz que está pasando. Cuando el número de partículas en un estado excitado superior al número de partículas en un estado de menor energía, inversión de población se consigue y la cantidad de la emisión estimulada debido a la luz que pasa a través es mayor que la cantidad de absorción. Por lo tanto, la luz se amplifica. Estrictamente hablando, estos son los ingredientes esenciales de un láser. Sin embargo, por lo general el láser término se utiliza para dispositivos en los que la luz que se amplifica se produce como la emisión espontánea de la misma como medio de ganancia, donde la amplificación se lleva a cabo. Dispositivos donde la luz de una fuente externa se amplifica normalmente se denominan amplificadores ópticos.

La luz generada por la emisión estimulada es muy similar a la señal de entrada en términos de longitud de onda, fase y polarización. Esto da luz láser su coherencia característica, y le permite mantener la polarización uniforme y, a menudo monocromaticidad establecido por el diseño de la cavidad óptica.

La cavidad óptica, un tipo de resonador de cavidad, contiene un haz coherente de luz entre las superficies reflectantes para que la luz pasa a través del medio de ganancia más de una vez antes de que se emite desde la abertura de salida o se pierde a la difracción o absorción. Cuando la luz circula a través de la cavidad, pasando por el medio de ganancia, si la ganancia (amplificación) en el medio es más fuerte que las pérdidas del resonador, la potencia de la luz de circulación puede aumentar exponencialmente . Pero cada evento emisión estimulada devuelve una partícula a partir de su estado excitado al estado fundamental, la reducción de la capacidad del medio de ganancia para su posterior amplificación. Cuando este efecto se hace fuerte, se dice que la ganancia está saturado. El equilibrio de poder de la bomba contra la saturación y la cavidad pérdidas de ganancia produce un valor de equilibrio de la potencia del láser en el interior de la cavidad; este equilibrio determina el punto de funcionamiento del láser. Si la potencia de la bomba elegido es demasiado pequeño, la ganancia no es suficiente para superar las pérdidas de resonador, y el láser emitirá sólo muy pequeñas potencias de luz. La potencia de la bomba mínimo necesario para comenzar la acción del láser se llama umbral de acción láser. El medio de ganancia amplificará ningún fotones que pasan a través de él, independientemente de la dirección; pero sólo los fotones alineados con la cavidad logran pasar más de una vez a través del medio y así tener amplificación significativa.

La viga en la cavidad y el haz de salida del láser, si se producen en el espacio libre en vez de guías de onda (como en una fibra óptica láser), son, en el mejor, de bajo orden Vigas de Gauss. Sin embargo, esto no suele ser el caso con el láser de gran alcance. Si el haz no es una forma de Gauss de orden inferior, el modos transversales de la viga pueden ser descritos como una superposición de Hermite- Gauss o Vigas de Laguerre-gaussianos (para láseres estable cavidades). Resonadores láser inestables en el otro lado, se ha demostrado para producir vigas en forma de fractal. El haz puede ser altamente colimado, eso es ser paralelo sin divergente. Sin embargo, un haz perfectamente colimado no puede ser creada, debido a las difracción. El haz colimado se mantiene sobre una distancia que varía con el cuadrado del diámetro del haz, y, finalmente, diverge en un ángulo que varía inversamente con el diámetro del haz. Por lo tanto, un haz generado por un pequeño láser de laboratorio tal como una láser de helio-neón se extiende a cerca de 1,6 kilómetros (1 milla) de diámetro si brillaba desde la Tierra a la Luna . En comparación, la salida de un láser semiconductor típico, debido a su pequeño diámetro, diverge casi tan pronto como sale de la abertura, en un ángulo de nada hasta 50 °. Sin embargo, un haz divergente como se puede transformar en un haz colimado por medio de una lente. En contraste, la luz de fuentes de luz no láser no puede ser colimado por la óptica también.

La salida de un láser puede ser una salida de amplitud constante continua (conocido como CW o de onda continua); o pulsada, mediante el uso de las técnicas de Q-conmutación, modelocking, o ganar-conmutación. En funcionamiento por impulsos, potencias de pico mucho más alto que puede lograrse.

Algunos tipos de láseres, tales como láseres de colorante y vibrónicas láseres de estado sólido pueden producir luz en un amplio intervalo de longitudes de onda; esta propiedad hace que sean adecuadas para la generación de pulsos de luz extremadamente cortos, del orden de unos pocos femtosegundos (10 ^-15 s).

Aunque el fenómeno de láser se descubrió con la ayuda de la física cuántica , no es esencialmente más mecánica cuántica que otras fuentes de luz. El funcionamiento de una láser de electrones libres puede explicarse sin hacer referencia a la mecánica cuántica .

Porque el equivalente de microondas del láser, el máser, se desarrolló en primer lugar, los dispositivos que emiten microondas y de radio frecuencias suelen llamarse másers. En la literatura temprana, en particular de los investigadores en Bell Telephone Laboratories, el láser fue llamado a menudo el máser óptico. Puesto que este uso se ha convertido en poco común, ya partir de 1998 hasta los Bell Labs utiliza el láser plazo.

Onda continua y láseres pulsados

Un láser puede o bien ser construido para emitir un haz continuo o un tren de pulsos cortos. Esto hace que las diferencias fundamentales en la construcción, medios de comunicación utilizables láser y aplicaciones.

Operación de onda continua

En el el modo de onda continua (CW) de funcionamiento, la salida de un láser es relativamente consistente con respecto al tiempo. La inversión de población necesaria para la acción láser se mantiene continuamente por una fuente constante de la bomba.

Operación pulsada

En el modo pulsado de funcionamiento, la salida de un láser varía con respecto al tiempo, teniendo típicamente la forma de alternar "on" períodos "apagado". En muchas aplicaciones se apunta para depositar tanta energía como sea posible en un lugar determinado en el menor tiempo posible. En la ablación con láser, por ejemplo, un pequeño volumen de material en la superficie de una pieza de trabajo podría evaporarse si se obtiene la energía necesaria para calentar arriba lo suficientemente lejos en muy poco tiempo. Si, sin embargo, la misma energía se extiende durante un tiempo más largo, el calor puede tener tiempo para dispersar en la masa de la pieza, y se evapora menos material. Hay un número de métodos para lograr esto.

Q-conmutación

En un láser de Q-conmutado, se permite que la inversión de población (por lo general se produce en la misma forma que la operación de CW) para construir por lo que las condiciones de la cavidad ('q') desfavorables para la acción láser. Luego, cuando la energía de la bomba almacenada en el medio láser es en el nivel deseado, el 'Q' se ajusta (electro- o acústico-óptica) a las condiciones favorables, liberando el pulso. Esto se traduce en altas potencias de pico como la potencia media del láser (que se ejecuta en modo CW) se envasa en un marco de tiempo más corto.

Modelocking

Un láser modelocked emite pulsos extremadamente cortos del orden de decenas de picosegundos a menos de 10 femtosegundos. Estos pulsos son típicamente separados por el tiempo que tarda un pulso para completar una ida y vuelta en la cavidad del resonador. Debido a la Límite de Fourier (también conocida como energía-tiempo incertidumbre), un pulso de tal longitud temporal corto tiene un espectro que contiene una amplia gama de longitudes de onda. Debido a esto, el medio láser debe tener un amplio perfil de ganancia suficiente para amplificar todos ellos. Un ejemplo de un material adecuado es de titanio -doped, cultivado artificialmente zafiro ( Ti: zafiro).

El láser modelocked es una herramienta más versátil para la investigación de procesos ocurriendo en escalas de tiempo muy rápido también conocidos como la física de femtosegundo, la química de femtosegundo y ciencia ultrarrápida, para maximizar el efecto de no linealidad en materiales ópticos (por ejemplo, en generación de segundo armónico, paramétricos conversión descendente, osciladores paramétricos ópticos y similares), y en aplicaciones de ablación. Una vez más, debido a las escalas de tiempo cortas involucrados, estos láseres pueden alcanzar potencias extremadamente altas.

Bombeo Pulsada

Otro método de lograr la operación de láser pulsado es bombear el material láser con una fuente que es en sí mismo pulsada, ya sea a través de carga electrónica en el caso de lámparas de destellos, o otro láser que ya está pulsado. Bombeo pulsado fue utilizado históricamente con láseres de colorante en el que el tiempo de vida de la población invertida de una molécula de colorante era tan corto que una alta energía, se necesitaba bomba rápido. La manera de superar este problema era para cargar grandes condensadores que luego se cambiaron a descargar a través de lámparas de destellos, la producción de un amplio espectro de flash bomba. También se requiere bombeo pulsado para los láseres que perturben el medio de ganancia tanto durante el proceso de láser que tiene que cesar la acción láser durante un corto período. Estos láseres, como el láser excimer y el láser de vapor de cobre, nunca pueden funcionar en el modo CW.

Historia

Cimientos

En 1917 Albert Einstein , en su papel Zur Quantentheorie der Strahlung (Sobre la teoría cuántica de la radiación), sentó las bases para la invención del láser y su predecesor, el máser, en un rederivación innovador de Max Planck 's la ley de la radiación sobre la base de los conceptos de coeficientes de probabilidad (que más tarde se denominó' coeficientes de Einstein ») para la absorción, espontánea, y la emisión estimulada.

En 1928, Rudolph W. Landenburg confirmó la existencia de la emisión estimulada y absorción negativa.

En 1939, Valentin A. Fabrikant (URSS) predijo el uso de la emisión estimulada para amplificar las ondas "cortas".

En 1947, Willis E. Lamb y RC Retherford encontraron emisión estimulada evidente en los espectros de hidrógeno e hicieron la primera demostración de la emisión estimulada.

En 1950, Alfred Kastler (Premio Nobel de Física 1966) propuso el método de bombeo óptico, lo cual fue confirmado experimentalmente por Brossel, Kastler y Winter dos años más tarde.

Maser

En 1953, Estudiantes de postgrado James P. Gordon y Herbert J. Zeiger Charles H. Townes y produjeron el primer amplificador de microondas, un dispositivo que funciona en principios similares al láser, pero amplificando microondas en lugar de la radiación infrarroja o visible. De Townes máser fue incapaz de salida continua. Nikolay Basov y Aleksandr Prokhorov de la Unión Soviética trabajaron de forma independiente en el quantum oscilador y resuelve el problema de los sistemas de salida continua mediante el uso de más de dos niveles de energía y produjo la primera máser. Estos sistemas podrían liberar emisión estimulada sin caer al estado fundamental, manteniendo así una inversión de población. En 1955 Prokhorov y Basov sugirieron un bombeo óptico del sistema multinivel como un método para obtener la inversión de población, que más tarde se convirtió en uno de los principales métodos de bombeo láser.

Townes informa que se encontró con la oposición de un número de eminentes colegas que pensaban que el máser era teóricamente imposible - incluyendo Niels Bohr , John von Neumann , Isidor Rabi, Polykarp Kusch, y Llewellyn H. Thomas .

Townes, Basov y Prokhorov compartieron el Premio Nobel de Física en 1964 "Para el trabajo fundamental en el campo de la electrónica cuántica, lo que ha llevado a la construcción de osciladores y amplificadores basados en el principio máser-láser".

Láser

En 1957, Charles Hard Townes y Arthur Leonard Schawlow, a continuación, en Laboratorios Bell, comenzó un estudio serio del láser infrarrojo. A medida que se desarrollan las ideas, frecuencias infrarrojas fueron abandonados con el foco en la luz visible en lugar. El concepto fue originalmente conocido como "máser óptico". Laboratorios Bell presentó una solicitud de patente para su máser óptico propuesto un año más tarde. Schawlow y Townes enviaron un manuscrito de sus cálculos teóricos a Physical Review, que publicó su papel ese año (Volume 112, Issue 6).

Al mismo tiempo Gordon Gould, un estudiante graduado en La Universidad de Columbia, estaba trabajando en un tesis doctoral sobre los niveles de energía de emocionados talio . Gould y Townes conoció y tuvo conversaciones sobre el tema general de la radiación de emisiones. Después Gould hizo notas sobre sus ideas para un "láser" en noviembre de 1957, incluyendo lo que sugiere el uso de un proceso abierto resonador, que se convirtió en un ingrediente importante de láseres futuras.

En 1958, Prokhorov propuso de forma independiente mediante un resonador abierto, la primera aparición publicada de esta idea. Schawlow y Townes también se asentaron en un diseño resonador abierto, aparentemente sin darse cuenta tanto de la obra publicada de Prokhorov y la obra inédita de Gould.

El término "láser" fue introducido por primera vez al público en el papel 1959 la conferencia de Gould "El LASER, amplificación de luz por emisión estimulada de radiación". Gould pretende "-aser" ser un sufijo, para ser utilizado con un prefijo apropiado para los espectros de la luz emitida por el dispositivo (rayos x = xaser láser, láser ultravioleta = uvaser, etc.). Ninguno de los otros términos se hizo popular, aunque "raser" fue utilizado por un corto tiempo para describir radiofrecuencia dispositivos emisores de luz.

Notas de Gould incluidas posibles aplicaciones de un láser, como la espectrometría , interferometría, radar , y fusión nuclear. Él continuó trabajando en su idea y presentó una solicitud de patente en abril de 1959. El Oficina de Patentes de Estados Unidos le negó su solicitud y otorgó una patente a Laboratorios Bell en 1960. Esto provocó una batalla legal que corrió 28 años, con prestigio científico y mucho dinero en juego. Gould ganó su primera patente de menor importancia en 1977, pero no fue hasta 1987 que podía reclamar su primera victoria significativa de patentes cuando un juez federal ordenó al gobierno a conceder patentes a él por el láser y el bombeo óptico láser de descarga de gas.

El primer láser de trabajo fue hecho por Theodore H. Maiman en 1960 en Hughes Research Laboratories en Malibu, California, superando a varios equipos de investigación, incluyendo las de Townes en La Universidad de Columbia, Arthur L. Schawlow en los Bell Labs, y Gould en una compañía llamada TRG (Grupo de Investigación Técnica). Maiman utilizó una de estado sólido lámpara de destellos bombeado sintética ruby cristal para producir luz láser roja en 694 nanómetros de longitud de onda. Láser de Maiman, sin embargo, sólo fue capaz de funcionamiento por impulsos debido a su esquema de bombeo nivel tres de energía.

Más tarde, en 1960, el iraní físico Ali Javan, trabajando con William R. Bennett y Donald Herriot, hicieron el primer láser de gas usando helio y neón . Javan más tarde recibió el Premio Albert Einstein en 1993.

El concepto del semiconductor diodo láser fue propuesto por Basov y Javan. El primer diodo láser se demostró por Robert Hall en 1962. dispositivo de Hall estaba hecha de arseniuro de galio y emitida a 850 nm en el cercano región infrarroja del espectro. El primer láser semiconductor con emisiones visibles se demostró más tarde el mismo año por Nick Holonyak, Jr. Al igual que con los primeros láseres de gas, estos láseres semiconductores temprana podría ser utilizado sólo en el funcionamiento por impulsos, y de hecho sólo cuando se enfría a temperaturas de nitrógeno líquido (77 K).

En 1970, Zhorés Alfiórov en la Unión Soviética y Izuo Hayashi y Morton Panish de De Bell Telephone Laboratories desarrollado independientemente diodos láser de funcionamiento continuo a temperatura ambiente, utilizando el estructura heterounión.

Las innovaciones recientes

Gráfico que muestra la historia de la máxima intensidad de pulso láser a lo largo de los últimos 40 años.

Desde los primeros tiempos de la historia de láser, láser de investigación ha producido una variedad de mejores y especializados tipos de láser, optimizados para diferentes objetivos de rendimiento, incluyendo:

• nuevas bandas de longitud de onda
• máxima potencia de salida media
• potencia de salida máxima de pico
• salida mínima duración del pulso
• ahorra la máxima energía
• carga máxima
• máxima de cocción

y esta investigación continúa hasta nuestros días.

Lasing sin mantener el medio inducido a una inversión de población, fue descubierto en 1992 en sodio de gas y de nuevo en 1995 en rubidio gas por diversos equipos internacionales. Esto se logró mediante el uso de un maser externa para inducir la "transparencia óptica" en el medio mediante la introducción de interferir destructivamente y las transiciones de electrones entre dos caminos de tierra, de modo que la probabilidad de los electrones de tierra para absorber la energía ha sido cancelada.

En 1985 en el Universidad de Rochester de Laboratorio de Energética láser un gran avance en la creación de ultracorta pulso, muy alta intensidad ( teravatios) pulsos de láser se dispuso mediante una técnica llamada amplificación chirped pulso, o CPA, descubierto por Gérard Mourou. Estos pulsos de alta intensidad pueden producir propagación de filamentos en la atmósfera.

Tipos y principios de funcionamiento

Salida espectral de varios tipos de láseres.

Láseres de gas

Láseres de gas que utilizan muchos los gases se han construido y utilizado para muchos propósitos. Se trata de uno de los más antiguos tipos de láser.

La láser de helio-neón (HeNe) emite en una variedad de longitudes de onda y las unidades que funcionan a 633 nm son muy comunes en la educación debido a su bajo costo.

Láseres de dióxido de carbono pueden emitir cientos de kilovatios en el 9,6 micras y 10,6 micras, y se utilizan a menudo en la industria para el corte y la soldadura. La eficiencia de un láser de CO ₂ es superior al 10%.

Láseres de iones de argón emiten luz en el rango de 351 a 528,7 nm. En función de la óptica y el tubo láser un número diferente de líneas es utilizable pero las líneas más utilizadas son 458 nm, 488 nm y 514,5 nm.

Un nitrógeno t ransverse e QUIPOS de descarga en gas a una presión tmospheric (TEA) láser es un láser de gas de bajo costo que produce la luz UV a 337,1 nm.

Láseres de iones metálicos son láseres de gas que generan ultravioletas profundas longitudes de onda. Helio - plata (heag) 224 nm y neón - cobre (NECU) 248 nm son dos ejemplos. Estos láseres tienen oscilación particularmente estrecho anchuras de línea de menos de 3 GHz (0,5 picómetros), lo que los candidatos para su uso en fluorescencia suprimido Espectroscopía de Raman.

Láseres químicos

Láseres químicos son alimentados por una reacción química, y pueden alcanzar altas potencias en funcionamiento continuo. Por ejemplo, en el Láser de fluoruro de hidrógeno (2700-2900 nm) y la Láser de fluoruro de deuterio (3800 nm), la reacción es la combinación de hidrógeno o deuterio gaseoso con productos de combustión de etileno en el trifluoruro de nitrógeno. Fueron inventadas por George C. Pimentel.

Láser excimer

Láseres Excimer son alimentados por una reacción química que implica un dímero excitado, o excimer, que es una molécula de corta vida dimérica o heterodimérico formado a partir de dos especies (átomos), al menos uno de los cuales está en una estado electrónico excitado. Ellos producen típicamente ultravioleta luz, y se utilizan en tecnologías de semiconductores fotolitografía y en La cirugía ocular LASIK. Moléculas excimer usados comúnmente incluyen F ₂ ( flúor , que emite a 157 nm), y compuestos de gases nobles (ARF [193 nm], KrCl [222 nm], KrF [248 nm], XeCl [308 nm], y XeF [351 nm]).

Láseres de estado sólido

A 50 W FASOR, basado en un láser de Nd: YAG, que se utiliza en el Starfire Optical Range

Materiales con láser de estado sólido se hacen comúnmente dopando un anfitrión sólido cristalino con iones que proporcionan los estados de energía requeridos. Por ejemplo, el primer láser de trabajo era una láser de rubí, a partir de rubí ( cromo -doped corindón ). Formalmente, la clase de láseres de estado sólido incluye también láser de fibra, como el medio activo (fibra) está en el estado sólido. Prácticamente, en la literatura científica, láser de estado sólido por lo general significa un láser con medio activo a granel; mientras que los láseres de guía de onda son llamante láseres de fibra.

El neodimio es un dopante común en varios cristales de láser de estado sólido, incluyendo ortovanadato de itrio ( Nd: YVO _4), fluoruro de litio itrio ( Nd: YLF) y granate de itrio aluminio ( Nd: YAG). Todos estos láseres pueden producir altos poderes en el espectro infrarrojo a 1064 nm. Se utilizan para el corte, soldadura y marcado de metales y otros materiales, y también en la espectroscopia y para el bombeo láseres de colorante. Estos láseres son también comúnmente doble frecuencia, triplicado o cuadruplicado para producir 532 nm ( verde, visible), 355 nm ( UV ) y 266 nm ( UV ) la luz cuando se necesitan esas longitudes de onda.

Iterbio , holmio , tulio , y erbio son otros agentes de dopado comunes en láseres de estado sólido. El iterbio se utiliza en los cristales como Yb: YAG, Yb: KGW, Yb: KYW, Yb: SYS, Yb: CHICOS, Yb: CaF2, típicamente operan alrededor 1020-1050 nm. Ellos son potencialmente muy eficiente y de alta potencia, debido a un pequeño defecto cuántico. Extremadamente altas potencias en pulsos ultracortos se puede lograr con Yb:. YAG Holmium -doped cristales YAG emiten a 2097 nm y forman un láser que opera a eficiente longitudes de onda infrarroja absorbida fuertemente por los tejidos que contienen agua. El Ho-YAG se suele funcionar en un modo pulsado, y pasa a través de dispositivos quirúrgicos de fibra óptica a resurgir articulaciones, retire la pudrición de los dientes, vaporizar tipos de cáncer, y pulverizar cálculos renales y biliares.

Titanio zafiro -doped ( Ti: zafiro) produce una gran sintonizable láser de infrarrojos, comúnmente utilizado para la espectroscopia así como los más comunes láser de pulso ultracorto.

Limitaciones Térmicas en los láseres de estado sólido surgen de potencia de la bomba sin convertir que se manifiesta en forma de calor y la energía del fonón. Este calor, cuando se combina con un coeficiente de termo-óptico de alta (d n / d T) puede dar lugar a efecto de lente térmica, así como reducción de la eficiencia cuántica. Estos tipos de problemas pueden ser superados por otra novela láser de estado sólido bombeado por diodo, el diodo bombeado delgada láser de disco. Las limitaciones térmicas en este tipo de láser se mitigan mediante la utilización de una geometría medio de láser en el que el grosor es mucho más pequeño que el diámetro del haz de la bomba. Esto permite un gradiente térmico más uniforme en el material. Delgado láseres de disco han demostrado producir hasta niveles de kilovatios de potencia.

Láseres de fibra alojada

Láseres de estado sólido donde la luz se guía por la reflexión interna total en una wavequide se llaman láseres de fibra debido a la enorme relación de la longitud al tamaño transversal; esta relación puede variar de 06 ¹⁰ hasta 09 10; Visualmente, el elemento activo de un láser tal como se ve una fibra. Rectores de la luz permite a las regiones de ganancia extremadamente largas proporcionar buenas condiciones de enfriamiento; fibras tienen gran área de superficie a volumen permite un enfriamiento eficiente. Además, las propiedades de guía de ondas de la fibra tienden a reducir la distorsión térmica de la viga.

fibras doble revestido. Muy a menudo, el láser de fibra está diseñado como una fibra doble-CLAD. Este tipo de fibra se compone de un núcleo de la fibra, un revestimiento interior y un revestimiento exterior. El índice de las tres capas concéntricas se elige de manera que el núcleo de la fibra actúa como una fibra de modo único para la emisión de láser, mientras que los actos revestimiento exterior como un núcleo altamente multimodo para el láser de bombeo. Esto permite que la bomba de propagar una gran cantidad de energía en ya través de la región de núcleo interno activo, mientras que todavía tiene una apertura numérica alta (NA) para tener condiciones de inyección fáciles.

Láseres de disco Fibre. El uso eficiente de la bomba en láser de fibra se puede lograr en el entrega transversal de la bomba; sin embargo, varios láseres deben ser formados en una pila. Tal pila puede tener forma de una disco, que es una alternativa a la fibra doble-CLAD.

Longitud máxima de un láser de fibra. Los láseres de fibra tienen un límite fundamental en que la intensidad de la luz en la fibra no puede ser tan alta que no linealidades ópticas inducidas por la fuerza del campo eléctrico local puede llegar a ser dominante e impedir el funcionamiento del láser y / o conducir a la destrucción material de la fibra. Este efecto se llama photodarkening. En los materiales láser a granel, el enfriamiento no es tan eficiente, y es difícil separar los efectos de photodarkening de los efectos térmicos, pero los experimentos en fibras de la photodarkening se puede atribuir a la formación og de larga vida centros de color.

Los láseres semiconductores

Comercial diodos láser emiten en longitudes de onda de 375 nm a 1800 nm, y longitudes de onda de más de 3 m se han demostrado. Diodos láser de baja potencia se utilizan en impresoras láser y reproductores de CD / DVD. Más potentes diodos láser se usan frecuentemente para ópticamente bombear otros láseres de alta eficiencia. Los diodos láser de potencia industrial más altos, con potencia de hasta 10 kW (70dBm), se utilizan en la industria de corte y soldadura. Láseres de semiconductor de cavidad externa tienen un medio activo semiconductor en una cavidad más grande. Estos dispositivos pueden generar productos de alta potencia con buena calidad del haz, estrecho de longitud de onda sintonizable radiación anchura de línea, o pulsos láser ultracortos.

Láseres emisores de superficie de cavidad vertical ( VCSEL) son láseres de semiconductor cuya dirección de emisión es perpendicular a la superficie de la oblea. Dispositivos VCSEL suelen tener un haz de salida más circular que los diodos láser convencionales, y podría llegar a ser mucho más barato de fabricar. A partir de 2005, sólo 850 VCSELs nm están ampliamente disponibles, con 1.300 VCSELs nm comenzando a comercializar y 1.550 dispositivos nm un área de investigación. VECSELs son VCSELs externa cavidades. Láseres de cascada cuántica son láseres de semiconductor que tienen una transición de energía activa entre sub-bandas de un electrón en una estructura que contiene varios pozos cuánticos.

El desarrollo de un silicio láser es importante en el campo de la computación óptica, ya que significa que si el silicio, el principal ingrediente de los chips de computadora , fueron capaces de producir láseres, sería permitir que la luz puede manipular como los electrones están en circuitos integrados normales. Por lo tanto, los fotones reemplazarían electrones en los circuitos, lo que aumenta drásticamente la velocidad de la computadora. Por desgracia, el silicio es un material lasing difícil de tratar, ya que tiene ciertas propiedades que bloquean la acción láser. Sin embargo, recientemente equipos han producido láseres de silicio a través de métodos tales como la fabricación de material de emisión láser de silicio y otros materiales semiconductores, tales como de indio (III) o fosfuro de galio (III) de arseniuro, materiales que permiten que la luz coherente que se produce a partir de silicio. Estos se llaman láser de silicio híbrido. Otro tipo es una Láser de Raman, que se aprovecha de Dispersión Raman para producir un láser de materiales tales como el silicio.

Láseres de colorante

Láseres de colorante usan un colorante orgánico como el medio de ganancia. El espectro de ganancia de ancho de tintes disponibles permite que estos láseres para ser altamente ajustable, o para producir pulsos de muy corta duración (del orden de unos pocos femtosegundos)

Láseres de electrones libres

Láseres de electrones libres, o FELs, generar potencia radiación coherente, de alta, es ampliamente sintonizable, actualmente van en la longitud de onda de las microondas, a través de la radiación de terahercios y de infrarrojos, con el espectro visible, a los rayos X blandos. Tienen la gama de frecuencias más amplia de cualquier tipo de láser. Mientras haces FEL comparten los mismos rasgos ópticos como otros láseres, como la radiación coherente, operación FEL es bastante diferente. A diferencia del gas, líquido o láseres de estado sólido, que dependen de estados atómicos o moleculares consolidados, FELs utilizar un haz de electrones relativistas como el medio de la acción láser, de ahí el término libre de electrones.

Láseres reacción nuclear

En septiembre de 2007, el BBC News informó de que se especuló sobre la posibilidad de utilizar positronium aniquilación conducir un muy potente láser de rayos gamma. Este láser se cree que es lo suficientemente potente como para poner en marcha una reacción nuclear, con un único láser de rayos gamma, en lugar de los cientos de láseres convencionales involucrados en los experimentos actuales.

Photonic Crystal láseres

Los láseres basados en nano-estructuras que proporcionan el confinamiento de modo y la estructura DOS requerido para la retroalimentación a tener lugar. Son micras de tamaño típico y sintonizable en las bandas de los cristales fotónicos

Lasing Aleatorio

Un láser aleatorio es un sistema formado por un conjunto aleatorio de dispersiones elásticas dispersas en un medio de ganancia óptica.La dispersión de la luz múltiples reemplaza la cavidad óptica estándar de láseres tradicionales y la interacción entre la ganancia y la dispersión determina sus propiedades únicas.

Usos

Los láseres varían en tamaño desde microscópicas láseres de diodo (arriba) con numerosas aplicaciones, a campo de fútbol de tamañode neodimio de vidrioláseres (abajo) utilizados para lafusión por confinamiento inercial,las armas nuclearesde investigación y otros experimentos de física de alta densidad de energía.

Cuando el láser se inventaron en 1960, se les llamaba "una solución en busca de un problema". Desde entonces, se han convertido en omnipresente, encontrando utilidad en miles de aplicaciones muy variadas en todos los sectores de la sociedad moderna, incluyendo la electrónica de consumo, tecnología de la información, la ciencia , la medicina , la industria , las fuerzas del orden, el entretenimiento y la militar.

La primera aplicación de los láseres visibles en la vida cotidiana de la población en general era el supermercadoescáner de código de barras, introducido en 1974. Elreproductor de discos láser, introducido en 1978, fue el primer producto de consumo con éxito para incluir un láser, pero eldisco compactofue el jugador primer dispositivo equipado con láser para convertirse verdaderamente común en los hogares de los consumidores, a partir de 1982, seguido poco después porlas impresoras láser.

Algunas de las otras aplicaciones incluyen:

• Medicina: cirugía sin sangre, la curación por láser, el tratamiento quirúrgico, el tratamiento de cálculos renales,el tratamiento del ojo, odontología
• Industria: corte, soldadura, tratamiento térmico de materiales, marcando partes
• Defensa: Marcado objetivos, municiones rectores,la defensa antimisiles,contramedidas electro-ópticos (EOCM),RADARalternativa
• Investigación: La espectroscopia, la ablación por láser, de recocido láser, dispersión láser, interferometría láser,LIDAR
• El desarrollo de productos / comercial: las impresoras láser,CD,escáneres de códigos de barras, punteros láser,hologramas)

En 2004, con exclusión de los láseres de diodo, aproximadamente 131.000 láseres se vendieron en todo el mundo, con un valor de US $ 2.19 mil millones. En el mismo año, aproximadamente 733 millones láseres de diodo, por valor de $ 3.20 mil millones, se vendieron.

Ejemplos de poder

Diferentes usos necesitan láseres con diferentes potencias de salida. Los láseres que producen un haz continuo o una serie de pulsos cortos se pueden comparar sobre la base de su potencia media. Los láseres que producen pulsos también pueden caracterizarse basándose en el pico de energía de cada pulso. El pico de potencia de un láser de impulsos es muchos órdenes de magnitud mayor que su potencia media. La potencia de salida media es siempre menor que la potencia consumida.

La potencia continua o medio necesario para algunos usos:

• 5 mW -unidad de CD-ROM
• 5-10 mW -reproductor de DVD ounidad de DVD-ROM
• 100 mW -unidad de CD-RW
• 250 mW - de alta velocidadCD-R quemador
• 500 mW - ConsumidorDVD-R quemador
• 1 W - laser verde en actualdesarrollo Holographic Versatile Disc prototipo
• 30-100 W - CO típica sellada₂láseres quirúrgicos
• 100-3000 W (potencia máxima de 1,5 kW) - CO típica sellados₂láseres utilizados en la industriade corte por láser
• 1 kW - Potencia de salida espera alcanzar por un prototipo de 1 cm de barras láser de diodo

Ejemplos de sistemas pulsados ​​con alta potencia de pico:

• 700 TW (700 × 10 ¹² W) - La Instalación Nacional de Ignición está trabajando en un sistema que, una vez terminado, contendrá un 192-viga, sistema de láser de 1.8 megajoule junto a una cámara de objetivo de 10 metros de diámetro. Se espera que el sistema que esté terminado en abril de 2009.
• 1.3 PW (1,3 × 10¹⁵W) - láser más poderoso del mundoa partir de 1998, situado en elLaboratorio Lawrence Livermore

Usos Hobby

En los últimos años, algunos aficionados han tomado interés en los láseres. Los láseres utilizados por los aficionados son generalmente de clase IIIa o IIIb, aunque algunos han hecho sus propios tipos de clase IV. Sin embargo, en comparación con otros aficionados, aficionados láser son mucho menos común, debido al coste y peligros potenciales involucrados. Debido al coste de los láseres, algunos aficionados utilizan medios de bajo costo para obtener láseres, tales como la extracción de diodos de quemadores de DVD.

Los aficionados también han estado tomando láseres pulsados ​​los excedentes de las aplicaciones militares retirados y su modificación por la holografía pulsada. Se han utilizado Pulsada Rubí y Pulsada YAG láser.

Seguridad del láser

Símbolo de advertencia para los láseres

Incluso el primer láser fue reconocido como potencialmente peligroso. Theodore Maiman caracterizó el primer láser como tener un poder de uno " Gillette "; ya que podría grabar a través de una Gillette hoja de afeitar. Hoy en día, se acepta que incluso los láseres de baja potencia con sólo unos pocos milivatios de potencia de salida pueden ser peligrosos para la vista humana.

En longitudes de onda que la córnea y la lente puede enfocar bien, la coherencia y la baja divergencia de la luz láser significa que se puede enfocar el ojo en un extremadamente pequeño punto en la retina , lo que resulta en la quema localizada y daño permanente en cuestión de segundos o incluso menos tiempo. Los láseres se clasifican en clases de seguridad numeradas I (intrínsecamente seguros) a IV (incluso la luz dispersada puede causar irritación en ojos y / o daños en la piel). Productos láser disponibles para los consumidores, tales como reproductores de CD y punteros láser son por lo general en la clase I, II o III. Algunos láseres infrarrojos con longitudes de onda más allá de alrededor de 1,4 micrómetros se refieren a menudo como "ojo de fallos". Esto se debe a las vibraciones moleculares intrínsecas de agua moléculas absorben muy fuertemente la luz en esta parte del espectro, y por lo tanto un rayo láser a estas longitudes de onda se atenúa tan completamente a medida que pasa a través del ojo córnea que la luz no queda enfocada por la lente sobre la retina . La etiqueta de "ojos seguro" puede ser engañoso, sin embargo, ya que sólo se aplica a una potencia relativamente baja vigas de onda continua y de cualquier gran potencia o q-switched láser en estas longitudes de onda puede quemar la córnea, causando daños graves en los ojos.

Terminología relacionada

En analogía con láseres ópticos, un dispositivo que produce las partículas oradiaciones electromagnéticasen un estado coherente también se llama un "láser", por lo general con indicación del tipo de partícula como prefijo (por ejemplo,láser átomo.) En la mayoría de los casos ", de láser "se refiere a una fuente de luz coherente u otraradiación electromagnética.

La back-formada verbolasemedios "para producir luz láser" o "para aplicar luz láser a".

Predicciones de Ficción

Antes emisión estimulada fue descubierto,novelistasutilizados para describir las máquinas que podemos identificar como los "láseres".

• El primer dispositivo de ficción similar a un CO militar₂láser (verHeat-Ray) aparece en la novela de ciencia-ficción La Guerra de los MundosdeHG Wells en 1898.
• Un dispositivo láser como se describe en lanovela de ciencia ficción de Alexey Tolstoy El hiperboloide del ingeniero Garinen 1927: verRaygun # En escenarios específicos (desplácese hacia abajo para el orden alfabético "H" en la columna izquierda).
• Mikhail Bulgakov exagerado el efecto biológico (bioestimulación láser) de la luz roja intensa en su novela de ciencia ficción de los huevos fatales (1925), sin ninguna descripción razonable de la fuente de esta luz roja. (En esa novela, la luz roja aparece por primera vez en ocasiones desde el sistema de iluminación de un microscopio avanzado; a continuación, el protagonista Prof. Persikov organiza el especial de puesta a punto para la generación de la luz roja.)