El efecto láser

La palabra láser es el acrónimo en inglés de light amplification by stimulated emision of radiation; en español: Amplificación de Luz por la Emisión Estimulada de Radiación.

Este efecto consiste en la amplificación de luz que puede lograrse por medio del fenómeno de emisión estimulada descrito antes.

Elementos esenciales de un láser

Como hemos visto, para que exista amplificación se debe lograr una inversión de población en los niveles involucrados en la transición. Para lograr esto existen varios esquemas de funcionamiento. Estos esquemas son sólo una aproximación pues en realidad los láseres involucran un gran número de niveles energéticos. Los dos esquemas más generales para el efecto láser son conocidos como láser de 3 niveles y láser de 4 niveles. Los esquemas se presentan en la figura 4.

Figura 4. Esquemas de láseres de: a) 3 niveles, b) 4 niveles.

En el láser de 4 niveles el bombeo excita átomos del nivel 0 al nivel 3. En este nivel el decaimiento al nivel 2 se realiza por transiciones no radiativas. El decaimiento del nivel 2 al

1 se lleva cabo por transiciones radiativas y estas transiciones son las que se utilizan para lograr el efecto láser. Del nivel 1 al 0 el decaimiento es nuevamente por transiciones no radiativas.

Para que la amplificación pueda ser eficiente se deben cumplir algunas condiciones en cuanto a la vida media y distribuciones de energía en los niveles energéticos. De esta manera, la transición 3 2 debe ser más rápida que las transiciones 3 1 y 3 0 para que el bombeo sea eficiente. La transición 2 1 debe ser la más lenta de las transiciones para permitir la inversión de población y lograr la amplificación. La transición 1 0 debe ser también rápida (τ10 << τ21). En lo que respecta a la distribución de energía en los niveles

debe tenerse que E3 – E2 >> kT para que sólo exista una reacción muy pequeña que lleve de

regreso los átomos del nivel 2 al 3. Esta misma condición se debe cumplir para los niveles 1 y 0, E1 – E0 >> kT además, esto asegura también que la población en el nivel 1 debida a la

distribución de Boltzman, dependiente de la temperatura, sea despreciable (Verdeyen, 1995).

Con estas condiciones se puede lograr la amplificación de la luz, sin embargo para optimizar el funcionamiento sería necesario un medio con una longitud muy grande para que la ganancia por paso en el material fuese significativa. Con la mayoría de los materiales no se puede obtener un medio con tal longitud y para conseguir una ganancia significativa se recurre a una cavidad resonante formada por espejos. Con una cavidad es posible tener la luz oscilando un gran número de veces y producir un efecto equivalente al de aumentar la longitud del medio activo. Regularmente la cavidad se forma con un espejo de entrada

100% reflector a la longitud de onda de amplificación y otro espejo de salida, por donde sale el haz, con una reflexión menor, por ejemplo ~ 97%.

En resumen, los elementos esenciales de un láser, esquematizados en la figura 5, son: - El medio activo que determina la longitud de onda de emisión.

- El bombeo que también está determinado por el medio activo y puede ser eléctrico, químico, óptico, etc.

- La cavidad formada regularmente por un espejo 100 % reflector a la longitud de onda láser y otro que permite la salida del haz de luz.

Figura 5. Elementos esenciales de un láser.

Propiedades de un láser

Las propiedades principales de un láser son:

- Distribución de frecuencia angosta, produce que el haz sea muy monocromático. - Haz de salida de gran intensidad, con dispersión angular mínima, muy direccional y gran coherencia espacial.

- La composición de la radiación espontánea e incoherente, conocida como ruido, es despreciable.

Parámetros que caracterizan a un láser

Algunos parámetros útiles para caracterizar un láser son: divergencia del haz, calidad del modo transversal, potencia umbral, eficiencia de conversión, línea de emisión, ancho de banda, entre otros. En el presente trabajo, para la oscilación láser en la guía, se determinaron los valores de la longitud de onda de emisión, ancho de banda, potencia umbral y eficiencia de conversión.

La línea de emisión es la longitud de onda a la cual se produce la oscilación láser y, como ya se ha comentado, está determinada por el medio activo. El ancho de banda es el ancho espectral de la línea de emisión, en este caso se toma el valor del ancho total de la línea a la mitad de la intensidad máxima. Estos valores se obtienen del espectro de emisión láser.

La potencia umbral, Pu, es la potencia de bombeo mínima requerida para el inicio de la

oscilación láser. Esto ocurre cuando la ganancia supera el valor de las pérdidas totales de la cavidad y del medio. La eficiencia de conversión, φ, es la cantidad de potencia de bombeo que es convertida a potencia de salida. Estos valores se obtienen de una gráfica de potencia de salida vs. potencia de bombeo. El valor de la potencia de bombeo al cual comienza a ser diferente de cero la potencia de salida se toma como la potencia umbral y la eficiencia de conversión es la pendiente de esta gráfica a partir de que la oscilación láser inicia. En el caso de guías de onda láser bombeadas por otro láser se puede dar una estimación teórica para estos parámetros (Lallier et al., 1991; Domenech et al., 2003a):

ef b u A hv P 2 δ ηστ = (13)

s b R λ λ δ η φ ₌ 1− 2 ₍₁₄₎

donde h es la constante de Planck, vb es la frecuencia del láser de bombeo, η la fracción de

fotones absorbidos que contribuyen a la población del nivel 2, σ la sección transversal de emisión estimulada, τ la vida media de la fluorescencia, Aef es el área efectiva del haz, λb y

λs las longitudes de onda del bombeo y de la señal láser respectivamente, y δ es el factor

exponencial de la cavidad relacionado con las pérdidas de la siguiente manera:

(

)

ln 2 l− R R

= α

δ (15) con α las pérdidas por esparcimiento por unidad de longitud a la longitud de onda láser, l la

longitud del medio activo y R1 y R2 las reflectividades de los espejos de entrada y salida

respectivamente.