¿Cuáles son las características de un láser? La Ciencia y la Tecnología mejoran el futuro

Como dijo Fraulein Maria en The Sound of Music

Comencemos desde el principio.

Laser es un acrónimo de amplificación de luz por emisión estimulada de radiación.

Dependiendo de cuán perspicaz desee ser al dividir los láseres de parientes cercanos como los amplificadores ópticos, las cosas principales que buscarán la mayoría de las personas son:

Obtenga medios que pueden pasar por un cambio de energía o transición entre dos estados de energía, donde el cambio de energía entre los estados de energía más altos y más bajos coincide con la energía del fotón láser.
Obtenga medios que se pueden poner en un estado ‘invertido’ durante la operación del láser, lo que significa que se puede poner en un estado en el que más de los átomos / moléculas / entidades cuánticas de los medios están en el estado alto que en el estado bajo. La forma en que uno llega allí puede llenar múltiples clases de óptica, pero a menudo será un problema de poder seleccionar una mezcla de transiciones de energía de ocurrencia rápida y de ocurrencia lenta para que la luz se bombee a un estado más alto que rápidamente (rápidamente) se mueve ligeramente estado de energía más bajo, pero bastante estable.
Algo para ‘bombear’ los medios de ganancia al estado invertido. Esto podría ser un arco eléctrico, un destello de luz blanca de una lámpara, un voltaje aplicado (en el caso de los láseres de diodo) o incluso una bomba nuclear explotando (los láseres de ‘rayos X que tuvieron mucha discusión durante los experimentos de los años de la Iniciativa de Defensa Estratégica Americana).
Una cavidad u otra infraestructura para permitir que la luz láser y los medios de ganancia interactúen entre sí de manera eficiente. Muy a menudo, este es un par de espejos que están espaciados, alineados, curvados y recubiertos para que la mayor parte de la luz láser se refleje de un lado a otro entre los espejos, en una línea delgada que atraviesa el medio de ganancia. Para los conocidos láseres rojos de helio y neón que a menudo se ven en los escáneres de los supermercados, los espejos se fusionan en los extremos de un tubo que contiene la mezcla de helio y neón (el medio de ganancia) y electrodos para crear el arco eléctrico que bombea los medios de comunicación.
La parte real de ‘Emisión Estimulada’. Esto es pura mecánica cuántica increíble en el trabajo. Los medios no permanecerán en el estado de bombeo para siempre. Habrá cierta constante de tiempo natural o semivida para caracterizar la frecuencia con la que un átomo se desintegra de nuevo a un estado de energía más bajo. Sin embargo, si un fotón pasa por el átomo bombeado y tiene una energía idéntica a la energía de lo que sería liberado por el átomo que se descompone en el estado inferior, entonces puede ‘Estimular’ ese átomo para que se descomponga allí y luego, y , en lugar de emitir el fotón que contiene esa energía de transición en cualquier dirección anterior, lo emitirá de manera que vaya en la misma dirección y con la misma fase que el fotón que pasa. Aún mejor, ahora hay dos. Las probabilidades de que dos fotones que pasen por un átomo bombeado forzarán otra emisión estimulada son incluso mayores que las probabilidades sumadas de que cualquiera de ellos lo haga individualmente. Los exponentes y los factoriales se suben al carro. Entonces, tiene todo ese Gain Media bombeado, cuidadosamente organizado para estar justo en el camino de los fotones láser que rebotan de un lado a otro entre los espejos de la cavidad. Es como el último episodio de Mythbusters donde Adam conduce el gran Car-Plough-Truck a través de todos sus accesorios sobrantes. Cada vez más, Gain Media es estimulado por el grupo gigante de fotones láser que pasa, todos están en fase, como un buen tono de Acapella.
De vuelta a esos espejos entonces. Si fueran espejos perfectos, sería una fiesta láser dentro de la cavidad, pero nadie lo vería. Que divertido es eso Por lo general, uno de los espejos es un reflector alto (> 99%), y el otro es simplemente un reflector ‘alto’, con una reflectividad de, digamos, 90-95%. Eso significa que en cada viaje de ida y vuelta, del 5 al 10% de la luz pasará a través de uno de los espejos y se apagará, donde la pondrás en uso, escaneando alimentos, volviendo locos a los gatos, enviando mensajes a través de una fibra, midiendo la distancia a la luna , o lo que sea que flota tu bote. La mayoría de los fotones permanecen dentro de la cavidad (los números más altos significan Emisión Estimulada más eficiente en el interior, para mantener la fiesta en marcha), mientras que en el exterior.
Volviendo a la luz que sale, ya que solicitó Características, hay algunas otras cosas que puede incluir en la lista de trabajo:

Es monocromático, es decir, de un solo color. Ese color puede ser infrarrojo o ultravioleta, en cuyo caso puede sustituir ‘longitud de onda única’. Esta singularidad de longitud de onda no es infinitamente apretada. Los efectos Doppler, la falta de uniformidad de los medios de ganancia que causan variaciones en las estructuras cristalinas (y los tamaños de transición de energía), todo tipo de cosas contribuyen a que la ‘longitud de onda única’ sea en realidad ‘un rango estrecho de longitudes de onda sobre algún valor pico’. Para algo así como un láser de helio de neón, con una longitud de onda central de 623.8 nm (nanómetros), el ancho de línea puede ser unas centésimas de nm.
Es coherente Esa es la forma en lenguaje alternativo de decir que los fotones están todos en fase (tienen picos y valles alineados de los picos sinusoidales y valles de sus vectores de ondas electromagnéticas oscilantes). Esta misma parte de la misma fase también significa que el haz (el grupo de fotones) está prácticamente viajando en la misma dirección. Habrá una propagación natural e inevitable de un rayo láser: las leyes de la óptica aún se aplican, pero generalmente no verá un láser extendiéndose en un anillo o una esfera a menos que haya hecho algo como reflejar el rayo de un espejo anillo o esfera.

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