¿Cómo funcionan los láseres?

Los láseres utilizan la inversión de la población y la emisión estimulada para producir un intenso haz de luz monocromático y coherente.

Entonces, primero, ¿qué es la emisión estimulada ?

Si un átomo permanece en un estado ‘excitado’ por mucho más tiempo que 10 ^ -8s, se dice que está en estado metaestable . En este caso, el átomo ‘excitado’ también puede volver al estado de energía más bajo a través de la emisión estimulada.

La emisión estimulada es un proceso en el que se emite un fotón debido a una transición de un electrón desde un nivel de energía superior a uno inferior cuando es estimulado por un fotón entrante de la misma frecuencia que el fotón emitido.

¿Y entonces qué es la inversión demográfica ?

Un rayo láser consta de una gran cantidad de fotones. Para producir este gran número de fotones, un solo átomo no es suficiente. Necesitamos un sistema de muchos átomos.

Normalmente, la mayoría de los átomos de dicho sistema están en el estado fundamental y se producirá dicha absorción estimulada. Sin embargo, para producir un rayo láser, el sistema debe modificarse para favorecer la emisión estimulada sobre la absorción. Esto ocurre cuando el sistema está en un estado de inversión de población .

La inversión de población es una situación en la que hay más átomos en el estado de mayor energía que en el de menor energía.

Esto se puede lograr mediante ‘bombeo’: excitación de los átomos mediante el suministro de radiación electromagnética, energía eléctrica o energía térmica.

Estos conceptos nos llevan a las condiciones para un rayo láser.

1) El sistema debe estar en un estado de inversión de población (¿recuerda eso?)

2) El estado excitado más alto del sistema debe ser un estado metaestable para que pueda ocurrir una inversión de población

3) Los fotones emitidos deben estar confinados dentro del sistema el tiempo suficiente para permitirles estimular nuevas emisiones de otros átomos excitados.

Entonces, ¿cómo conseguimos un láser?

Para producir un rayo láser, un sistema de átomos (moléculas de gas) en una cavidad láser se excita primero al estado metaestable mediante ‘bombeo’ (energía eléctrica), lo que resulta en una inversión de la población. Cuando hay muchos átomos en estado metaestable, la emisión espontánea ocurre con alta probabilidad: los átomos excitados pierden energía para transitar a un estado excitado más bajo, y se emiten muchos fotones, en direcciones aleatorias.

Los fotones que se emiten normalmente a los espejos se reflejan entre los espejos o viajan a través del espejo parcialmente reflectante. A medida que los fotones reflejados viajan de aquí para allá en la cavidad, pueden interactuar con otros átomos en el sistema al provocar la emisión estimulada de átomos excitados debido a la inversión de la población.

Algunos de los fotones generados por la emisión estimulada pasan a través del espejo parcialmente reflectante, lo que resulta en un rayo láser. Dado que los fotones que forman el rayo láser se generan por emisión estimulada, están en fase y tienen la misma dirección específica.

Y ahí lo tienes, así es como obtienes un rayo láser.

Laser es un acrónimo de amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. Lo siguiente a considerar es por qué la luz láser es diferente a otra luz. Sabes que la luz láser viaja en línea recta y permanece en un pequeño haz en lugar de extenderse como la luz normal, ¿verdad? El truco es que la luz láser es de un solo color. Has visto arcoíris, estoy seguro. Lo que llamamos luz blanca (como la luz solar) es en realidad una mezcla de una gama completa de colores, desde azul hasta rojo. Todos esos colores viajan juntos, todo mezclado. Cuando los colores golpean algo que los hace doblarse, como gotas de lluvia, prismas o casi cualquier cosa, esos colores se separan.

Un láser es efectivamente una máquina que hace que miles de millones de átomos bombeen billones de fotones (partículas de luz) de una sola vez para que se alineen y formen un haz de luz realmente concentrado.

Paso 1:
Cree luz (preferiblemente en un medio de ganancia) en una longitud de onda específica

Paso 2:
Excite un material llamado medio de ganancia utilizando una fuente de energía externa como corriente eléctrica, reacción química, etc. La diferencia de energía debe ser igual a la energía de la luz de longitud de onda en el paso anterior. Debe estar continuamente excitado para equilibrar la desexcitación en el paso 3 y mantener el sistema en equilibrio dinámico.

Paso 3:
Pase la luz en el paso 1 en el medio de ganancia a través del medio de ganancia en el paso 2. La luz recoge más luz en coherencia con ella del medio de ganancia en estado excitado por desexcitación a través de un proceso llamado emisión estimulada. Así sube la intensidad con luz de la misma fase.

Paso 4:
Sigue repitiendo el paso 3. Esto se hace creando una cavidad encerrando el medio de ganancia por un par de espejos. La luz rebota de un lado a otro entre los espejos y aumenta la intensidad en cada viaje. Puede tener muchas millas de largo en lugar de usar espejos, pero eso sería una mala ingeniería. Entonces, la cavidad con medio de ganancia básicamente se comporta como un químico absorbente siguiendo la ley de Beer-Lambert, excepto que el coeficiente es positivo en lugar de ser negativo, es decir, la intensidad no cae sino que aumenta.

Paso 5:
Saca un poco de la luz de la cavidad para que sea útil. Taladre un pequeño agujero o haga un espejo parcialmente reflectante.

Suena simple pero los láseres son muy difíciles de construir y mucho menos inventar.

Láser ”es un acrónimo de amplificación de luz por misión programada de radiación. Un láser se crea cuando los electrones en los átomos en vidrios especiales, cristales o gases absorben energía de una corriente eléctrica u otro láser y se “excitan”. Los electrones excitados se mueven de una órbita de energía más baja a una órbita de energía más alta alrededor del núcleo del átomo Cuando vuelven a su estado normal o de “tierra”, los electrones emiten fotones (partículas de luz). Estos fotones están todos en la misma longitud de onda y son “coherentes”, lo que significa que las crestas y los canales de las ondas de luz están todos unidos. En contraste, la luz visible ordinaria comprende múltiples longitudes de onda y no es coherente. La luz láser también es diferente de la luz normal en otros aspectos. Primero, su luz contiene solo una longitud de onda (un color específico). La longitud de onda particular de la luz está determinada por la cantidad de energía liberada cuando el electrón excitado cae a una órbita más baja. En segundo lugar, la luz láser es direccional. Mientras que un láser genera un haz muy apretado, una linterna produce luz difusa. Debido a que la luz láser es coherente, permanece enfocada a grandes distancias, incluso a la luna y de regreso. Un interruptor óptico atrapa el pulso láser de baja energía en el amplificador principal durante cuatro pasadas a través de las losas de vidrio láser. Los espejos en ambos extremos del amplificador de vidrio hacen que los fotones viajen de un lado a otro a través del vidrio, estimulando que más electrones caigan a sus estados de menor energía y emitan fotones. Este proceso produce una gran cantidad de fotones de la misma longitud de onda y dirección, un haz de luz extremadamente brillante y recto. De esta manera, el pulso inicial de baja energía se amplifica en más de un billón de veces para crear 192 rayos láser altamente enérgicos y muy enfocados que convergen en el centro de la cámara objetivo.

Láser ”es un acrónimo de amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. Un láser se crea cuando los electrones en los átomos en vidrios especiales, cristales o gases absorben energía de una corriente eléctrica u otro láser y se “excitan”. Los electrones excitados se mueven de una órbita de energía más baja a una órbita de energía más alta alrededor del núcleo del átomo Cuando vuelven a su estado normal o de “tierra”, los electrones emiten fotones (partículas de luz).

Estos fotones están todos en la misma longitud de onda y son “coherentes”, lo que significa que las crestas y los canales de las ondas de luz están todos unidos. En contraste, la luz visible ordinaria comprende múltiples longitudes de onda y no es coherente.

La luz láser también es diferente de la luz normal en otros aspectos. Primero, su luz contiene solo una longitud de onda (un color específico). La longitud de onda particular de la luz está determinada por la cantidad de energía liberada cuando el electrón excitado cae a una órbita más baja. En segundo lugar, la luz láser es direccional. Mientras que un láser genera un haz muy apretado, una linterna produce luz difusa. Debido a que la luz láser es coherente, permanece enfocada a grandes distancias, incluso a la luna y de regreso.

“Láser” es un acrónimo de una ligera implementación por misión cronometrada de adiación. Un láser se crea cuando los electrones en los átomos en vidrios especiales, cristales o gases absorben energía de una corriente eléctrica u otro láser y se “excitan”. Los electrones excitados se mueven de una órbita de energía más baja a una órbita de energía más alta alrededor del núcleo del átomo Cuando vuelven a su estado normal o de “tierra”, los electrones emiten fotones (partículas de luz).

Estos fotones están todos en la misma longitud de onda y son “coherentes”, lo que significa que las crestas y los canales de las ondas de luz están todos unidos. En contraste, la luz visible ordinaria comprende múltiples longitudes de onda y no es coherente.

La luz láser también es diferente de la luz normal en otros aspectos. Primero, su luz contiene solo una longitud de onda (un color específico). La longitud de onda particular de la luz está determinada por la cantidad de energía liberada cuando el electrón excitado cae a una órbita más baja. En segundo lugar, la luz láser es direccional. Mientras que un láser genera un haz muy apretado, una linterna produce luz difusa. Debido a que la luz láser es coherente, permanece enfocada a grandes distancias, incluso a la luna y de regreso.

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Notas de Diseño

El láser es el acrónimo de “amplificación de luz por emisión estimulada de radiación”. Los átomos en el material utilizado para los láseres se consideran en diferentes niveles, en función de sus energías. Cuando la luz y la materia interactúan, tres procesos tienen lugar simultáneamente: absorción, emisión espontánea y emisión estimulada. Un láser general se compone de un medio activo (uno en el que los átomos en el estado excitado son más que los del estado fundamental) colocado entre dos espejos. Algunos átomos en el estado excitado experimentan una emisión espontánea. Las radiaciones que son paralelas al eje óptico se amplifican. Estos fotones emitidos espontáneamente activan otros átomos en el estado excitado, liberando fotones de la misma frecuencia. Por lo tanto, los láseres producen una luz monocromática y muy intensa.