La formación del láser

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La aparición de los láseres marcó la primera vez que los seres humanos lograron controlar fotones. Los láseres son fuentes de luz especiales que amplifican la luz a través de la radiación estimulada, y su proceso de formación implica múltiples mecanismos físicos como la mecánica cuántica, la resonancia óptica y la excitación de energía. A continuación se presentan los principales factores que contribuyen a la formación de los láseres:
I. Emisión estimulada e inversión del número de partículas
La generación de láseres comenzó con transiciones cuánticas entre niveles de energía atómicos. Cuando un electrón absorbe energía y se transfiere a un estado de mayor energía, el sistema se encuentra en un estado inestable. En este momento, el electrón libera energía de dos maneras:
Emisión espontánea: Los electrones regresan aleatoriamente a un estado de menor energía y emiten fotones con direcciones y fases diferentes.
Emisión inducida: Cuando la energía de un fotón externo coincide con la diferencia de niveles de energía, inducirá que los electrones en un estado excitado liberen simultáneamente fotones exactamente iguales, lo que forma la base del amplificador óptico.
Amplificación óptica: Partículas en niveles de alta energía experimentan emisión estimulada desencadenada por fotones incidentes, generando fotones de la misma fase y frecuencia. Estos fotones oscilan repetidamente en la cavidad resonante, desencadenando una reacción en cadena y formando luz coherente de alta intensidad.
Inversión del número de partículas: El sistema de bombeo rompe el estado de equilibrio térmico, permitiendo que la sustancia activa forme niveles de energía metastables.
Ii. Cavidad Resonante Óptica
Retroalimentación de cavidad resonante: Una cavidad resonante óptica compuesta por dos espejos permite que los fotones en una dirección específica viajen hacia adelante y hacia atrás múltiples veces. Cuando la ganancia supera la pérdida, se formará un bucle de retroalimentación positiva, y eventualmente se emitirá un haz coherente.
Selección de modo: Mediante un diseño de cavidad corta o retroalimentación por rejilla, se controla la distribución de modos longitudinales y transversales para lograr una salida de frecuencia única y modo único.
Concentración de energía: Reducir la longitud efectiva de la sustancia de trabajo y mejorar la eficiencia de salida del láser.
Iii. Estadística de Bose
Fotones idénticos: Los fotones producidos por la radiación estimulada tienen exactamente la misma frecuencia, fase y estado de polarización.
Superposición de funciones de onda: Un gran número de fotones idénticos forman estados cuánticos macroscópicos, dotando a la luz de una coherencia perfecta.
Características del láser:
Direccionalidad: El ángulo de divergencia de una fuente de luz común es relativamente grande, mientras que el de una fuente de luz láser es relativamente pequeño y su dirección es fija.
Monocromatismo: El ancho de línea espectral de un láser es más estrecho que el de una fuente de luz ordinaria, por lo que tiene un mejor monocromatismo.
Alta brillantez: El láser emite haces altamente paralelos y puede emitirse con una mayor concentración
La formación de láseres es una combinación perfecta entre la mecánica cuántica e ingeniería óptica. Su núcleo radica en lograr una amplificación controlada de la luz mediante la inversión de población de partículas y la radiación estimulada. El desarrollo de los láseres está impulsando innovaciones en industrias como la fabricación, la atención médica y la tecnología de la información.