La generación de los láseres

La generación de los láseres
La generación de láseres fue propuesta por Einstein en 1916 con su teoría de la emisión espontánea y estimulada. Esta teoría constituye la base física de los sistemas láser modernos. La interacción entre fotones y átomos puede dar lugar a tres procesos de transición: absorción estimulada, emisión espontánea y emisión estimulada. Si la emisión estimulada se mantiene estable, se pueden obtener láseres. Por lo tanto, es necesario fabricar dispositivos especiales: los láseres. Un láser generalmente consta de tres partes principales: la sustancia activa, el dispositivo de excitación y el resonador óptico.

1. Sustancia de trabajo

La sustancia que genera luz láser en un láser se denomina sustancia de trabajo. En condiciones normales, la distribución del número atómico en la sustancia, en cada nivel de energía, sigue una distribución normal. El número de átomos en el nivel de energía más bajo siempre es mayor que en el nivel de energía más alto. Por lo tanto, cuando la luz atraviesa la sustancia luminiscente en estado normal, predomina la absorción y la luz se atenúa. Para que la luz se intensifique tras atravesar la sustancia luminiscente y se produzca la amplificación de la luz, es necesario que predomine la emisión estimulada. Para que el número de átomos en el nivel de energía más alto sea mayor que en el nivel de energía más bajo, esta distribución es opuesta a la distribución normal y se denomina inversión del número de partículas.
2. Dispositivo de excitación
La función del dispositivo de excitación es excitar átomos de un nivel de energía inferior a un nivel de energía superior, lo que permite que la sustancia de trabajo logre una inversión en el número de partículas. Los niveles de energía de la sustancia incluyen el estado fundamental y el estado excitado, así como un estado metaestable. El estado metaestable es menos estable que el estado fundamental, pero mucho más estable que el estado excitado. En términos relativos, los átomos pueden permanecer en el estado metaestable durante un período de tiempo más prolongado. Por ejemplo, los iones de cromo (Cr3+) en el rubí tienen un estado metaestable con una vida útil del orden de 10⁻³ segundos. Después de que la sustancia de trabajo se excita y logra la inversión en el número de partículas, inicialmente, debido a las diferentes direcciones de propagación de los fotones emitidos por la radiación espontánea, los fotones de la radiación estimulada también tienen diferentes direcciones de propagación, y existen muchas pérdidas en la salida y la absorción; no se puede generar una salida láser estable. Para que la radiación estimulada continúe existiendo en el volumen limitado de la sustancia de trabajo, se necesita un resonador óptico para lograr la selección y amplificación de la luz.
3. Resonador óptico
Se trata de un par de espejos reflectantes paralelos entre sí, instalados en ambos extremos de la sustancia de trabajo, perpendiculares al eje principal. Un extremo es un espejo de reflexión total (con una reflectancia del 100%), y el otro es un espejo parcialmente transparente y parcialmente reflectante (con una reflectancia del 90% al 99%).
Las funciones del resonador son: ① generar y mantener la amplificación óptica; ② seleccionar la dirección de la luz de salida; ③ seleccionar la longitud de onda de la luz de salida. Para una sustancia de trabajo específica, debido a diversos factores, la longitud de onda de la luz emitida no es única y el espectro presenta cierta amplitud. El resonador puede desempeñar un papel de selección de frecuencia, mejorando así la monocromaticidad del láser.