Fundamentos del Láser: Amplificación de Luz, Cavidad Resonante y Procesos Cuánticos

Amplificación de la Luz en Láseres

Todos los láseres contienen una sustancia capaz de incrementar la intensidad de la luz que pasa a través de ella.

Esta sustancia se denomina medio activo y puede ser un sólido, un líquido o un gas. La forma en que este medio activo incrementa la intensidad se verá más adelante. Por el momento, supondremos que la amplificación de la luz es posible.

En un láser YAG (Nd:YAG), por ejemplo, el medio activo es una barra de Itrio-Aluminio Granate (YAG) que contiene iones de neodimio.

El factor por el cual la intensidad de la luz se incrementa en el medio activo se conoce como ganancia. La ganancia no es constante para un tipo particular de medio; depende de la longitud de onda de la luz, la longitud del medio activo y la extensión en que el medio activo ha sido energizado.

La Cavidad Láser: Componente Esencial

El espacio entre los espejos de un láser se conoce como cavidad láser o resonador óptico. El haz dentro de la cavidad experimenta múltiples reflexiones entre los espejos y es amplificado cada vez que atraviesa el medio activo.

Uno de los espejos refleja casi toda la luz que incide en él (conocido como reflector total). El otro espejo, por su parte, refleja entre el 20% y el 98% de la luz incidente, dependiendo del tipo de láser. La luz no reflejada es transmitida a través de este espejo y constituye el haz de salida del láser.

Funciones Clave de la Cavidad Láser

• Inicio de la Oscilación: Después del bombeo, la emisión espontánea de luz de los átomos excitados dentro del medio activo inicia la emisión de luz de baja intensidad en la cavidad láser.
• Incremento de Intensidad: Esta luz incrementa su intensidad cada vez que atraviesa el medio activo, de tal forma que rápidamente se convierte en un haz intenso. En ausencia de los espejos, este proceso de auto-inicio u oscilación no ocurriría.
• Control de Divergencia: La cavidad contribuye a que la divergencia del haz sea pequeña. Solo la luz que viaja en una dirección casi paralela al eje de la cavidad puede experimentar múltiples reflexiones en los espejos y atravesar varias veces el medio activo. Los rayos más divergentes realizarán un camino en zig-zag dentro de la cavidad y saldrán de ella.
• Mejora de la Pureza Espectral: La cavidad láser también mejora la pureza espectral del haz láser. Generalmente, el medio activo amplificará la luz dentro de un rango estrecho de longitudes de onda; sin embargo, dentro de este rango, solo la luz de ciertas longitudes de onda pueden experimentar repetidas reflexiones dentro de la cavidad.

Absorción y Emisión de Luz

Transición o Salto Cuántico

Un electrón absorbe un fotón y sufre una transición a un estado de mayor energía. En una pequeñísima fracción de segundo, regresa a su estado fundamental y emite un fotón.