Population Inversion and Laser Operation

Population Inversion and Laser Operation

As discussed above, whenever light is incident on the material, there is competition between absorption, spontaneous emission and stimulated emission processes. Under normal equilibrium conditions, the population of various levels is given by Boltzmann's relationship and thus N2 will always be less than N1. Further, stimulated photon emission is much less than the spontaneous photon emission and the absorption. For a system to work as a laser one requires that stimulated emission should exceed photon absorption; it leads us to the following two conditions:

       

    N2 > N1: i.e. Population Inversion

       

    As per equation (6) or (7), the value of ρ (the radiation energy density which is equal to Nhn) should be as large as possible.

First condition cannot be achieved under thermal equilibrium conditions. This implies that in order to create population inversion, one must look for non-thermal equilibrium system and thus the need for special laser materials.

The second condition that requires higher value of r necessitates the use of an additional supply of large amount of energy of correct wavelength to excite the desired transition. The process is known as pumping. Various techniques include optical, electrical, chemical, gas dynamic etc.

Population inversion though is the primary condition, but in itself is not sufficient for producing a laser. As there are certain losses of the emitted photons within the material itself in addition to spontaneous emission, one has to think about the geometry that can overcome these losses and there is overall gain. This requires an optical cavity or resonator.

The principle behind the laser is like this. Suppose we can produce a large number of atoms all in excited states. If one of the atoms emitted spontaneously, then the emitted photon would stimulate other atoms to emit. These emitted photons would, in turn, stimulate further emission. The result would be an intense burst of coherent radiation.


Laser action: Interaction of electromagnetic radiation with matter produces absorption and spontaneous emission. Absorption and spontaneous emission are natural processes. For the generation of laser, stimulated emission is essential. Stimulated emission has to be induced or stimulated and is generated under special conditions as stated by Einstein in his famous paper of 1917. i.e. ?when the population inversion exists between upper and lower levels among atomic systems, it is possible to realize amplified stimulated emission and the stimulated emission has the same frequency and phase as the incident radiation?. Einstein combined Plank? law with Boltzmann?s statistics in formulating the concept of stimulated emission. In electronic, atomic, molecular or ionic systems the upper energy levels are less populated than the lower energy levels under equilibrium conditions. Pumping mechanism excites say, atoms to a higher energy level by absorption (Figs.3a and 3b).

The atom stays at the higher level for a certain duration and decays to the lower stable ground level spontaneously, emitting a photon, with a wavelength decided by the difference between the upper and the lower energy levels. This is referred to as natural or spontaneous emission and the photon is called spontaneous photon. The spontaneous emission or fluorescence has no preferred direction and the photons emitted have no phase relations with each other, thus generating an incoherent light output (Fig.4). But it is not necessary that the atom is always de-excited to ground state. It can go to an intermediate state, called metastable state with a radiation less transition, where it stays for a much longer period than the upper level and comes down to lower level or to the ground state. Since period of stay of atoms in the metastable state is large, it is possible to have a much larger number of atoms in metastable level in comparison to the lower level so that the population of metastable state and the lower or ground state is reversed. i.e. there are more atoms in the upper metastable level than the lower level. This condition is referred to as population inversion. Once this is achieved, laser action is initiated in the following fashion. The atom in the metastable state comes down to the ground state emitting a photon. This photon can stimulate an atom in the metastable state to release its photon in phase with it. The photon thus released is called stimulated photon. It moves in the same direction as the initiating photon, has the same wavelength and polarization and is in phase with it, thus producing amplification. Since there are a large number of initiating photons, it forms an initiating electromagnetic radiation field. An avalanche of stimulated photons is generated, as the photons traveling along the length of the active medium stimulates a number of excited atoms in the metastable state to release their photons. This is referred to as the stimulated emission. These photons are fully reflected by the rear reflector (100% reflective) and the number and consequently the intensity of stimulated photons increases as they traverse through the active medium, thus increasing the intensity of radiation field of stimulated emission. At the output coupler, a part of these photons are reflected and the rest is transmitted as the laser output. This action is repeated and the reflected photons after striking the rear mirror, reach the output coupler in the return path. The intensity of the laser output increases as the pumping continues. When the input pumping energy reduces, the available initiating and subsequently the stimulated photons decrease considerably and the gain of the system is not able to overcome the losses, thus laser output ceases. Since the stimulation process was started by the initiating photons, the emitted photons can combine coherently, as all of them are in phase with each other, unlike in the case of spontaneous emission and coherent laser light is emitted (Fig.5). Though the laser action will continue as long as the energy is given to the active medium, it may be stated that pulsed laser is obtained if the population inversion is available in a transient fashion and continuous wave (CW) laser is possible if the population inversion is maintained in a steady-state basis. If the input energy is given by say a flash lamp, the output will be a pulsed output and the laser is called a pulsed laser.



FUENTE:http://www.worldoflasers.com/laserprinciples.htm

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Leonardo R. Sanabria A.
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Doped fibre amplifiers

Doped fibre amplifiers
Schematic diagram of a simple Doped Fibre Amplifier

Doped fibre amplifiers (DFAs) are optical amplifiers that use a doped optical fibre as a gain medium to amplify an optical signal. They are related to fibre lasers. The signal to be amplified and a pump laser are multiplexed into the doped fibre, and the signal is amplified through interaction with the doping ions. The most common example is the Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA), where the core of a silica fiber is doped with trivalent Erbium ions and can be efficiently pumped with a laser at a wavelength of 980 nm or 1,480 nm, and exhibits gain in the 1,550 nm region.



Amplification is achieved by stimulated emission of photons from dopant ions in the doped fibre. The pump laser excites ions into a higher energy from where they can decay via stimulated emission of a photon at the signal wavelength back to a lower energy level. The excited ions can also decay spontaneously (spontaneous emission) or even through nonradiative processes involving interactions with phonons of the glass matrix. These last two decay mechanisms compete with stimulated emission reducing the efficiency of light amplification.

The amplification window of an optical amplifier is the range of optical wavelengths for which the amplifier yields a usable gain. The amplification window is determined by the spectroscopic properties of the dopant ions, the glass structure of the optical fibre, and the wavelength and power of the pump laser.

Although the electronic transitions of an isolated ion are very well defined, broadening of the energy levels occurs when the ions are incorporated into the glass of the optical fibre and thus the amplification window is also broadened. This broadening is both homogeneous (all ions exhibit the same broadened spectrum) and inhomogeneous (different ions in different glass locations exhibit different spectra). Homogeneous broadening arises from the interactions with phonons of the glass, while inhomogeneous broadening is caused by differences in the glass sites where different ions are hosted. Different sites expose ions to different local electric fields, which shifts the energy levels via the Stark effect. In addition, the Stark effect also removes the degeneracy of energy states having the same total angular momentum (specified by the quantum number J). Thus, for example, the trivalent Erbium ion (Er+3) has a ground state with J = 15/2, and in the presence of an electric field splits into J + 1/2 = 8 sublevels with slightly different energies. The first excited state has J = 13/2 and therefore a Stark manifold with 7 sublevels. Transitions from the J = 13/2 excited state to the J= 15/2 ground state are responsible for the gain at 1.5 µm wavelength. The gain spectrum of the EDFA has several peaks that are smeared by the above broadening mechanisms. The net result is a very broad spectrum (30 nm in silica, typically). The broad gain-bandwidth of fibre amplifiers make them particularly useful in wavelength-division multiplexed communications systems as a single amplifier can be utilized to amplify all signals being carried on a fiber and whose wavelengths fall within the gain window.
 Noise

The principal source of noise in DFAs is Amplified Spontaneous Emission (ASE), which has a spectrum approximately the same as the gain spectrum of the amplifier. Noise figure in an ideal DFA is 3 dB, while practical amplifiers can have noise figure as large as 6-8 dB.

As well as decaying via stimulated emission, electrons in the upper energy level can also decay by spontaneous emission, which occurs at random, depending upon the glass structure and inversion level. Photons are emitted spontaneously in all directions, but a proportion of those will be emitted in a direction that falls within the numerical aperture of the fibre and are thus captured and guided by the fibre. Those photons captured may then interact with other dopant ions, and are thus amplified by stimulated emission. The initial spontaneous emission is therefore amplified in the same manner as the signals, hence the term Amplified Spontaneous Emission. ASE is emitted by the amplifier in both the forward and reverse directions, but only the forward ASE is a direct concern to system performance since that noise will co-propagate with the signal to the receiver where it degrades system performance. Counter-propagating ASE can, however, lead to degradation of the amplifier's performance since the ASE can deplete the inversion level and thereby reduce the gain of the amplifier.
 Gain saturation

Gain is achieved in a DFA due to population inversion of the dopant ions. The inversion level of a DFA is set, primarily, by the power of the pump wavelength and the power at the amplified wavelengths. As the signal power increases, or the pump power decreases, the inversion level will reduce and thereby the gain of the amplifier will be reduced. This effect is known as gain saturation - as the signal level increases, the amplifier saturates and cannot produce any more output power, and therefore the gain reduces. Saturation is also commonly known as gain compression.

To achieve optimum noise performance DFAs are operated under a significant amount of gain compression (10 dB typically), since that reduces the rate of spontaneous emission, thereby reducing ASE. Another advantage of operating the DFA in the gain saturation region is that small fluctuations in the input signal power are reduced in the output amplified signal: smaller input signal powers experience larger (less saturated) gain, while larger input powers see less gain.

The leading edge of the pulse is amplified, until the saturation energy of the gain medium is reached. In some condition, the width(FWHM) of the pulse is reduced.
 Inhomogeneous broadening effects

Due to the inhomogeneous portion of the linewidth broadening of the dopant ions, the gain spectrum has an inhomogeneous component and gain saturation occurs, to a small extent, in an inhomogeneous manner. This effect is known as Spectral hole burning because a high power signal at one wavelength can 'burn' a hole in the gain for wavelengths close to that signal by saturation of the inhomogeneously broadened ions. Spectral holes vary in width depending on the characteristics of the optical fibre in question and the power of the burning signal, but are typically less than 1 nm at the short wavelength end of the C-band, and a few nm at the long wavelength end of the C-band. The depth of the holes are very small, though, making it difficult to observe in practice.
 Polarization effects

Although the DFA is essentially a polarization independent amplifier, a small proportion of the dopant ions interact preferentially with certain polarizations and a small dependence on the polarization of the input signal may occur (typically < 0.5 dB). This is called Polarization Dependent Gain (PDG). The absorption and emission crossections of the ions can be modeled as ellipsoids with the major axes aligned at random in all directions in different glass sites. The random distribution of the orientation of the ellipsoids in a glass produces a macroscopically isotropic medium, but a strong pump laser induces an anisotropic distribution by selectively exciting those ions that are more aligned with the optical field vector of the pump. Also, those excited ions aligned with the signal field produce more stimulated emission. The change in gain is thus dependent on the alignment of the polarizations of the pump and signal lasers - i.e. whether the two lasers are interacting with the same sub-set of dopant ions or not. In an ideal doped fiber without birefringence, the PDG would be inconveniently large. Fortunately, in optical fibers small amounts of birefringence are always present and, furthermore, the fast and slow axes vary randomly along the fiber length. A typical DFA has several tens of meters, long enough to already show this randomness of the birefringence axes. These two combined effects (which in transmission fibers give rise to Polarization Mode Dispersion) produce a misalignment of the relative polarizations of the signal and pump lasers along the fiber, thus tending to average out the PDG. The result is that PDG is very difficult to observe in a single amplifier (but is noticeable in links with several cascaded amplifiers).
 Erbium-doped fibre amplifiers

The erbium-doped fibre amplifier (EDFA) is the most deployed fibre amplifier as its amplification window coincides with the third transmission window of silica-based optical fibre.

Two bands have developed in the third transmission window - the Conventional, or C-band, from approximately 1525 nm - 1565 nm, and the Long, or L-band, from approximately 1570 nm to 1610 nm. Both of these bands can be amplified by EDFAs, but it is normal to use two different amplifiers, each optimized for one of the bands.

The principal difference between C- and L-band amplifiers is that a longer length of doped fibre is used in L-band amplifiers. The longer length of fibre allows a lower inversion level to be used, thereby giving at longer wavelengths (due to the band-structure of Erbium in silica) while still providing a useful amount of gain.

EDFAs have two commonly-used pumping bands - 980 nm and 1480 nm. The 980 nm band has a higher absorption cross-section and is generally used where low-noise performance is required. The absorption band is relatively narrow and so wavelength stabilised laser sources are typically needed. The 1480 nm band has a lower, but broader, absorption cross-section and is generally used for higher power amplifiers. A combination of 980 nm and 1480 nm pumping is generally utilised in amplifiers.

The optical fiber amplifier was invented by H. J. Shaw and Michel Digonnet at Stanford University, California, in the early 1980s. The EDFA was first demonstrated several years later [1] by a group including David N. Payne, R. Mears, and L. Reekie, from the University of Southampton and a group from AT&T Bell Laboratories, E. Desurvire, P. Becker, and J. Simpson.[2]
 Doped fibre amplifiers for other wavelength ranges

Thulium doped fibre amplifiers have been used in the S-band (1450-1490 nm) and Praseodymium doped amplifiers in the 1300 nm region. However, those regions have not seen any significant commercial use so far and so those amplifiers have not been the subject of as much development as the EDFA. However, Ytterbium doped fiber lasers and amplifiers, operating near 1 micrometre wavelength, have many applications in industrial processing of materials, as these devices can be made with extremely high output power (tens of kilowatts).
 Semiconductor optical amplifier (SOA)

Semiconductor optical amplifiers are amplifiers which use a semiconductor to provide the gain medium.[3] These amplifiers have a similar structure to Fabry-Perot laser diodes but with anti-reflection design elements at the endfaces. Recent designs include anti-reflective coatings and tilted waveguide and window regions which can reduce endface reflection to less than 0.001%. Since this creates a loss of power from the cavity which is greater than the gain it prevents the amplifier from acting as a laser.

Semiconductor optical amplifiers are typically made from group III-V compound semiconductors such as GaAs/AlGaAs, InP/InGaAs, InP/InGaAsP and InP/InAlGaAs, though any direct band gap semiconductors such as II-VI could conceivably be used. Such amplifiers are often used in telecommunication systems in the form of fibre-pigtailed components, operating at signal wavelengths between 0.85 µm and 1.6 µm and generating gains of up to 30 dB.

The semiconductor optical amplifier is of small size and electrically pumped. It can be potentially less expensive than the EDFA and can be integrated with semiconductor lasers, modulators, etc. However, the performance is still not comparable with the EDFA. The SOA has higher noise, lower gain, moderate polarization dependence and high nonlinearity with fast transient time. This originates from the short nanosecond or less upper state lifetime, so that the gain reacts rapidly to changes of pump or signal power and the changes of gain also cause phase changes which can distort the signals. This nonlinearity presents the most severe problem for optical communication applications. However it provides the possibility for gain in different wavelength regions from the EDFA. "Linear optical amplifiers" using gain-clamping techniques have been developed.

High optical nonlinearity makes semiconductor amplifiers attractive for all optical signal processing like all-optical switching and wavelength conversion. There has been much research on semiconductor optical amplifiers as elements for optical signal processing, wavelength conversion, clock recovery, signal demultiplexing, and pattern recognition.
 Vertical-cavity SOA

A recent addition to the SOA family is the vertical-cavity SOA (VCSOA). These devices are similar in structure to, and share many features with, vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs). The major difference when comparing VCSOAs and VCSELs is the reduced mirror reflectivities used in the amplifier cavity. With VCSOAs, reduced feedback is necessary to prevent the device from reaching lasing threshold. Due to the extremely short cavity length, and correspondingly thin gain medium, these devices exhibit very low single-pass gain (typically on the order of a few percent) and also a very large free spectral range (FSR). The small single-pass gain requires relatively high mirror reflectivities to boost the total signal gain. In addition to boosting the total signal gain, the use of the resonant cavity structure results in a very narrow gain bandwidth; coupled with the large FSR of the optical cavity, this effectively limits operation of the VCSOA to single-channel amplification. Thus, VCSOAs can be seen as amplifying filters.

Given their vertical-cavity geometry, VCSOAs are resonant cavity optical amplifiers that operate with the input/output signal entering/exiting normal to the wafer surface. In addition to their small size, the surface normal operation of VCSOAs leads to a number of advantages, including low power consumption, low noise figure, polarization insensitive gain, and the ability to fabricate high fill factor two-dimensional arrays on a single semiconductor chip. These devices are still in the early stages of research, though promising preamplifier results have been demonstrated. Further extensions to VCSOA technology are the demonstration of wavelength tunable devices. These MEMS-tunable vertical-cavity SOAs utilize a microelectromechanical systems (MEMS) based tuning mechanism for wide and continuous tuning of the peak gain wavelength of the amplifier.
Raman amplifier
Main article: Raman amplification

In a Raman amplifier, the signal is intensified by Raman amplification. Unlike the EDFA and SOA the amplification effect is achieved by a nonlinear interaction between the signal and a pump laser within an optical fibre. There are two types of Raman amplifier: distributed and lumped. A distributed Raman amplifier is one in which the transmission fibre is utilised as the gain medium by multiplexing a pump wavelength with signal wavelength, while a lumped Raman amplifier utilises a dedicated, shorter length of fibre to provide amplification. In the case of a lumped Raman amplifier highly nonlinear fibre with a small core is utilised to increase the interaction between signal and pump wavelengths and thereby reduce the length of fibre required.

The pump light may be coupled into the transmission fibre in the same direction as the signal (co-directional pumping), in the opposite direction (contra-directional pumping) or both. Contra-directional pumping is more common as the transfer of noise from the pump to the signal is reduced.

The pump power required for Raman amplification is higher than that required by the EDFA, with in excess of 500 mW being required to achieve useful levels of gain in a distributed amplifier. Lumped amplifiers, where the pump light can be safely contained to avoid safety implications of high optical powers, may use over 1W of optical power.

The principal advantage of Raman amplification is its ability to provide distributed amplification within the transmission fibre, thereby increasing the length of spans between amplifier and regeneration sites. The amplification bandwidth of Raman amplifiers is defined by the pump wavelengths utilised and so amplification can be provided over wider, and different, regions than may be possible with other amplifier types which rely on dopants and device design to define the amplification 'window'.

Note: The text of an earlier version of this article was taken from the public domain Federal Standard 1037C.
 Optical parametric amplifier

An optical parametric amplifier allows the amplification of a weak Signal-Impulse in a noncentrosymmetric nonlinear medium (e.g. BBO). In contrast to the previously mentioned amplifiers, which are mostly used in telecommunication environments, this type finds its main application in expanding the frequency tunability of ultrafast solid-state lasers (e.g. Ti:sapphire). By using a noncollinear interaction geometry Optical Parametric Amplifiers are capable of extreme broad amplification bandwidths.

FUENTE:http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_amplifier


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Leonardo R. Sanabria A.
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Optimization of laser-driven ion sources for biomedical applications

Optimization of laser-driven ion sources for biomedical applications
Supervisors: Marco Borghesi  and  Matt Zepf

Summary:
One of the many attractions of laser-matter interactions in the super-intense regime is the possibility of producing high brilliance, directional beams of high-energy ions. Applications of such beams are envisaged in many areas of science, technology and medicine. In particular several projects worldwide are assessing the suitability of laser-driven ions for medical applications (including the EPSRC-funded QUB-led LIBRA project). The studentship would contribute to the effort aiming to optimize the production of high energy sources with the objective of reaching parameters of relevance to cancer radiotherapy. This is a topical objective, particularly in the context of the announcement of the planned introduction of proton therapy in the UK. This is a treatment which is already established in several countries. Laser-driven sources may bring a contribution to this area with the potential of reducing facility cost if some of their unique potential is fully developed.

The student will take part to experimental and technical activity aiming to:
1) increase the ion energy and optimize the energy spectrum.
2) design and develop targetry able to operate at high repetition rate, to include the use of liquid and cryogenic target technology.
Of particular interest is the exploration of emerging acceleration regimes based on the radiation pressure of ultraintense laser radiation, which are highly promising for the provision of hydrogen and carbon ions with characteristics matching cancer therapy requirements, and of novel intensity regimes achievable with newly developed laser systems.
In collaboration with partners within the LIBRA, the student will also be involved in a program of cell irradiation with the ultrashort bursts of laser-driven ions, aiming to test biological effects at very high dose rates.

The project has the potential to provide a key contribution to ongoing  CPP development  in the area of plasma applications to Medicine and Biology.  It will also contribute in placing CPP in a favourable position for exploiting opportunities provided by ultra-high intensity and/or high repetition laser systems to be developed in forthcoming projects (UK: VULCAN 10 PW; EU : ELI).

FUENTE:http://www.qub.ac.uk/research-centres/CentreforPlasmaPhysics/PhDVacancies/PhDStudentships/Optimizationoflaser-drivenionsourcesforbiomedicalapplications/

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Leonardo R. Sanabria A.
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REALIMENTACION Y EFECTO UMBRAL DE UN LASER

3. Realimentación y efecto umbral

Para explicar el funcionamiento de la cavidad resonante en un láser semiconductor, se utiliza el modelo de láser más simple: la cavidad Fabry-Perot. En la figura 3 se puede ver el  esquema fundamental.



Figura 3. Cavidad Fabry-Perot.

La cavidad Fabry-Perot se forma al introducir la heteroestructura entre dos espejos formados al cortar de forma recta y limpia el material a lo largo de los planos de corte de semiconductor, figura 3. La reflexión se produce por la discontinuidad entre el medio semiconductor y el aire. La reflectividad de potencia de dicho espejo se puede calcular aplicando las fórmulas de Fresnel para incidencia normal.

                                                                                                       

donde n ext representa el índice de refracción del medio exterior, que en la mayoría de los casos será aire ( n ext » 1). En general, el índice de refracción de los materiales semiconductores empleados ronda el valor n ext » 3.5, por lo que R » 0.3, suficiente para la mayoría de las aplicaciones.

la dirección en la que se forma la cavidad es paralela al plano de la unión pn y está físicamente localizada en la zona activa del semiconductor. Por otra parte,  la inversión de población necesaria en la zona activa se consigue inyectando electrones a la zona activa en dirección perpendicular al plano de la unión pn. Las dimensiones típicas de la zona activa son, en cuanto a longitud de 100 a 500 mm, en anchura de 5 a 15 mm y en grosor de 0.1 a 0.5 mm. Por lo tanto, a todos los efectos, puede considerarse una guía de onda dieléctrica plana. En concreto, dentro de la estructura existen tres tipos de modos:

1.    Modos laterales, que son ondas estacionarias formadas en la coordenada y de la zona activa, determinan la forma y el perfil del campo eléctrico en dicha dirección.

2.    Modos transversales, que son ondas estacionarias formadas en la coordenada x de la zona activa, determinan la forma y el perfil del campo eléctrico en dicha dirección.

3.    Modos longitudinales, son ondas estacionarias formadas en la coordenada z de la zona activa y determinan el espectro de frecuencias emitido por el láser.

De los tres modos, la combinación de 1 y 2 resultan en los perfiles modales espaciales del campo, similares a los modos LP de una fibra óptica, mientras que los terceros, determinan las frecuencias propias de la cavidad que se emitirán en forma de radiación al exterior de ésta.

FUENTE:http://pesquera.tel.uva.es/tutorial/Tema_II/Laser/TUTORIAL/Laser.html
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Leonardo R. Sanabria A.
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RUIDO DE INTENSIDAD EN EL LASER

Ruido de intensidad en láseres de semiconductor      
Diodos Láser

El ruido de intensidad de los láseres degrada la calidad de los sistemas de comunicaciones ópticas, tanto analógicos como digitales. En este artículo se presentaran algunas técnicas para la medida y caracterización del mismo.















Redes-opticas109-1La portadora óptica a la salida de un láser de semiconductor presenta fluctuaciones de intensidad, fase y frecuencia incluso en el caso de estar polarizado con una corriente constante. Los dos mecanismos fundamentales de ruido son la emisión espontánea y la recombinación electrón-hueco (ruido shot), si bien el primero de ellos es dominante. Cada fotón emitido de forma espontánea se suma al campo coherente generado por emisión estimulada como una pequeña componente de campo con fase aleatoria. La tasa de emisión espontánea es muy alta (1012 s-1 aprox.), lo que provoca que la intensidad y la fase de la luz emitida exhiban fluctuaciones sobre una escala de tiempos de tan sólo 100 ps. Las fluctuaciones de fase conducen a un valor finito del ancho de línea del láser, mientras que las fluctuaciones de intensidad conducen a una relación señal a ruido (OSNR) limitada.
Redes-opticas109-2Esta reducción en la OSNR, y el consiguiente aumento de BER, pueden suponer una importante limitación en la transmisión de señales tanto analógicas como digitales. Luego para asegurar el buen funcionamiento de un enlace de comunicaciones ópticas se debe disponer de una caracterización precisa del ruido de intensidad del láser, con el fin de comparar su nivel de potencia con la señal y optimizar las prestaciones. En este artículo comentaremos los fundamentos básicos del ruido de intensidad de los láseres y presentaremos métodos para su medida y caracterización






 







 

Ruido relativo de intensidad.
Redes-opticas109-3El ruido relativo de intensidad (RIN, Relative Intensity Noise) describe la contribución al ruido eléctrico del receptor de las fluctuaciones de intensidad del láser en relación con la potencia eléctrica de señal. En general, el ruido RIN se normaliza para un ancho de banda de 1 Hz, de tal forma que se pueda independizar del ancho de banda del receptor. Aunque se trata de un ruido óptico (fluctuaciones de la potencia óptica del láser), su definición se realiza en términos de potencias eléctricas a la salida del fotodetector.
















FUENTE:http://www.conectronica.com/diodos-laser/ruido-de-intensidad-en-laseres-de-semiconductor
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AVANCES EN CHIPS DE LASER

Chips de láser de silicio autoalimentados

Según un artículo publicado el 6 de julio de 2006 en Technology Review, un nuevo método que convierte el calor residual en energía eléctrica podría aumentar la velocidad de las comunicaciones en el interior de los ordenadores.

Un científico informático de UCLA ha transformado un componente de un láser de silicio que consume energía en un generador de energía. "No sólo no desperdiciamos energía sino que, en realidad, la recuperamos" afirma Bahram Jalali, profesor de ingeniería eléctrica en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas Henry Samueli de UCLA.

A medida que los fabricantes de chips añaden más y más transistores a los chips de silicio, se acercan a un límite fundamental: la cantidad de información que puede salir de ese chip o pasar de una placa base a otra, a través de los cables de cobre. Cuanto más aumentan la energía y la cantidad de información, mayor es la resistencia eléctrica, hasta que los cables alcanzan su límite de velocidad.

Las empresas de telecomunicaciones resolvieron este problema hace años sustituyendo, en las comunicaciones a larga distancia, los cables de cobre por rayos de luz que se desplazan a través de fibra óptica. Ahora, algunos fabricantes de chips, como Intel, están desarrollando versiones diminutas de estos sistemas mucho más rápidos, aprovechando la enorme capacidad de transporte de las ondas de luz, que no se ven afectadas por la resistencia eléctrica.

Hace dos años, Jalali logró un gran avance al fabricar un láser hecho de silicio; un año después, Intel continuó su trabajo y realizó una versión mejorada de su láser, así como un modulador para codificar las señales en el interior del haz de luz (véase "Intel's Breakthrough", julio de 2005). Así nació el campo de la fotónica de silicio. Pero el problema estaba en que, tanto Jalali como Intel, necesitaron disparar un láser externo contra el silicio para lograr el efecto láser.

Para resolver este problema, Intel añadió un diodo eléctrico con el que hacía pasar una corriente por el chip y, básicamente, "aspiraba" los electrones, pero para ello necesitaba alrededor de 1 vatio de energía eléctrica y, además, al pasar por el chip, la corriente producía un calor residual que podía dañarlo y hacer que dejase de funcionar.

Jalali probó entonces a invertir la polarización del diodo, lo cual invierte también el campo eléctrico en el silicio, y como resultado observó que la polarización invertida seguía extrayendo los electrones libres, pero sin consumir ese vatio de energía. Según él, es posible recuperar alrededor de dos tercios de la potencia óptica que se perdía al generar los electrones y reutilizarla para hacer funcionar los transistores del chip.

Jalali, cuyo trabajo ha sido financiado en el marco de un programa de DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) para el avance de la fotónica del silicio, ha dado a conocer sus resultados en un congreso celebrado en Canadá la semana pasada.
Según Mario Paniccia, director del Laboratorio de tecnología fotónica de Intel, el trabajo de Jalali es una muestra de que la fotónica del silicio está cada vez más cerca de ser práctica.

Intel está trabajando en un programa para desarrollar varios componentes clave de un sistema de fotónica del silicio, entre los que se incluyen no sólo las fuentes de luz, sino también moduladores para añadir una señal, amplificadores ópticos para amentarla, fotodetectores, etc. Paniccia espera que el trabajo del laboratorio se pueda traducir en productos reales para el 2010.

Fuente: http://www.euroresidentes.com/Blogs/avances_tecnologicos/2006/07/avances-en-chips-de-lser-de-silicio.html
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Leonardo R. Sanabria A.
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AMPLIFICADORES OPTICOS

AMPLIFICADORES ÓPTICOS

Contamos ahora con las ideas básicas necesarias para la comprensión del funcionamiento de un amplificador óptico, también conocido como amplificador láser. Este es un sistema tal que al introducirle un flujo inicial de fotones Si nos proporciona en su salida un flujo final de fotones Sf mayor que el flujo inicial Si. Dichos amplificadores ópticos generalmente tienen un aspecto similar al mostrado en la figura II.1, es decir, un cilindro por un extremo del cual entra en flujo inicial de fotones Si y otro por el cual sale el flujo final de fotones amplificado Sf.

Como hemos visto en la sección anterior, la condición necesaria para tener amplificación del flujo inicial de fotones Si es que el número de átomos excitados N2 que se encuentra en la cavidad amplificadora sea mayor que el número de átomos que se encuentra en su estado base N1. La condición anterior se conoce como condición de inversión de población y el problema central para la realización práctica de un amplificador óptico está en cómo lograr dicha inversión de población. Es decir, el problema es conseguir que la mayoría de los átomos que se encuentran en la cavidad amplificadora pasen de su estado base, que es el estado normal en que cualquier átomo se encuentra cuando no es perturbado, a un estado excitado.

Para lograr dicha inversión de población es necesario algún dispositivo que proporcione la energía que los átomos de la cavidad amplificadora requieren para pasar de su estado base a un estado excitado. Este dispositivo recibe el nombre de "sistema de bombeo" y puede ser de varios tipos, aunque los más usuales son de tipo óptico o de tipo eléctrico.

En el caso de un sistema de bombeo de tipo óptico lo que tenemos es la cavidad amplificadora circundada por una o varias lámparas luminosas de destello flash muy potentes. Al ser disparadas dichas lámparas, los fotones que éstas emiten son absorbidos por los átomos de la cavidad amplificadora, los cuales pasan de su estado base a un estado excitado. Con esto se logra la inversión de población.

La figura II.4 muestra la sección transversal de dos arreglos posibles para la colocación de las lámparas flash en un amplificador bombeado ópticamente.

 




Figura II.4.

En un sistema de bombeo de tipo eléctrico se produce una intensa descarga eléctrica a través de los átomos que se encuentran en la cavidad amplificadora. De este modo los energéticos electrones de la descarga transfieren por colisiones electrón-átomo parte de su energía a los átomos contenidos en la cavidad, logrando que éstos pasen de su estado base a un estado excitado. Así se da la inversión de población.


FUENTE:http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/105/htm/sec_6.htm
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Leonardo R. Sanabria A.
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APLICACIONES DEL LASER

 Aplicaciones
El tamaño de los láseres varía ampliamente, desde diodos láser microscópicos (arriba) con numerosas aplicaciones, al láser de cristales de neodimio con un tamaño similar al de un campo de fútbol, (abajo) usado para la fusión de confinamiento inercial, investigación sobre armas nucleares de destrucción masiva u otros experimentos físicos en los que se presenten altas densidades de energía

Cuando se inventó en 1960, se denominaron como "una solución buscando un problema que resolver". Desde entonces se han vuelto omnipresentes. Se pueden encontrar en miles de variadas aplicaciones en cualquier sector de la sociedad actual. Estas incluyen campos tan dispares como la electrónica de consumo, las tecnologías de la información (informática), análisis en ciencia, métodos de diagnóstico en medicina, así como el mecanizado, soldadura o sistemas de corte en sectores industriales y militares.

Aplicaciones 

Cuando se inventó en 1960, se denominaron como "una solución buscando un problema que resolver". Desde entonces se han vuelto omnipresentes. Se pueden encontrar en miles de variadas aplicaciones en cualquier sector de la sociedad actual. Estas incluyen campos tan dispares como la electrónica de consumo, las tecnologías de la información (informática), análisis en ciencia, métodos de diagnóstico en medicina, así como el mecanizado, soldadura o sistemas de corte en sectores industriales y militares.
En bastantes aplicaciones, los beneficios de los láseres se deben a sus propiedades físicas como la coherencia, la alta monocromaticidad y la capacidad de alcanzar potencias extremadamente altas. A modo de ejemplo, un haz láser altamente coherente puede ser enfocado por debajo de su límite de difracción que, a longitudes de onda visibles, corresponde solamente a unos pocos nanómetros. Cuando se enfoca un haz de láser potente sobre un punto, éste recibe una enorme densidad de energía.^[5] Esta propiedad permite al láser grabar gigabytes de información en las microscópicas cavidades de un CD, DVD o Blu-ray. También permite a un láser de media o baja potencia alcanzar intensidades muy altas y usarlo para cortar, quemar o incluso sublimar materiales.
El rayo láser se emplea en el proceso de fabricación de grabar o marcar metales, plásticos y vidrio. Otros usos son:

• Diodos láser, usados en punteros láser, impresoras laser, y reproductores de CD, DVD, Blu-Ray, HD-DVD;
• Láser de punto cuántico
• Láser de helio-neón
• Láser de dióxido de carbono - usado en industria para corte y soldado
• Láser excimer, que produce luz ultravioleta y se utiliza en la fabricación de semiconductores y en la cirugía ocular Lasik;
• Láser neodimio-YAG, un láser de alto poder que opera con luz infrarroja; se utiliza para cortar, soldar y marcar metales y otros materiales.
• YAG dopado con erbio, 1645 nm
• YAG dopado con tulio, 2015 nm
• YAG dopado con holmio, 2090 nm, un láser de alto poder que opera con luz infrarroja, es absorbido de manera explosiva por tejidos impregnados de humedad en secciones de menos de un milímetro de espesor. Generalmente opera en modo pulsante y pasa a través de dispositivos quirúrgicos de fibra óptica. Se utiliza para quitar manchas de los dientes, vaporizar tumores cancerígenos y deshacer cálculos renales y vesiculares.
• Láser de Zafiro dopado con Titanio, es un láser infrarrojo fácilmente sintonizable que se utiliza en espectroscopía.
• Láser de fibra dopada con erbio, un tipo de láser formado de una fibra óptica especialmente fabricada, que se utiliza como amplificador para comunicaciones ópticas.
• Láser de colorante, formados por un colorante orgánico operan en el UV-VIS de modo pulsado, usados en espectroscopia por su fácil sintonización y su bajo precio.

Algunas aplicaciones del Láser en la vida cotidiana son:

• Medicina: Operaciones sin sangre, tratamientos quirúrgico, ayudas a la cicatrizción de hericas, tratamientos de piedas en el riñon, operaciones de vista, operaciones odontológicas.
• Industria: Cortado, guiado de maquinaria y robots de fabricación, mediciones de distancias precisas mediante láser.
• Defensa: Guiado misiles balísticos, alternativa al Radar, cegago a la tropas enemigas.
• Ingenieria Civil: Guiado de máquinas tuneladoras en túneles, diferentes aplicaciones en la topografía como mediciones de distancias a lugares innacesibles.
• Investigación: Espectroscopía, Interferometría láser, LIDAR, distanciometría.
• Desarrollos en productos comerciales: Impresoras láser, CD, lectores de código de barras, punteros láser, termómetros, hologramas, aplicaciones en iluminación de espectáculos.
• Tratamientos cosméticos y cirugía estética: Tratamientos de Acné, celulitis, tratamiento de las estrias, depilación.

En bastantes aplicaciones, los beneficios de los láseres se deben a sus propiedades físicas como la coherencia, la alta monocromaticidad y la capacidad de alcanzar potencias extremadamente altas. A modo de ejemplo, un haz láser altamente coherente puede ser enfocado por debajo de su límite de difracción que, a longitudes de onda visibles, corresponde solamente a unos pocos nanómetros. Cuando se enfoca un haz de láser potente sobre un punto, éste recibe una enorme densidad de energía.[5] Esta propiedad permite al láser grabar gigabytes de información en las microscópicas cavidades de un CD, DVD o Blu-ray. También permite a un láser de media o baja potencia alcanzar intensidades muy altas y usarlo para cortar, quemar o incluso sublimar materiales.

El rayo láser se emplea en el proceso de fabricación de grabar o marcar metales, plásticos y vidrio. Otros usos son:

    * Diodos láser, usados en punteros láser, impresoras laser, y reproductores de CD, DVD, Blu-Ray, HD-DVD;
    * Láser de punto cuántico
    * Láser de helio-neón
    * Láser de dióxido de carbono - usado en industria para corte y soldado
    * Láser excimer, que produce luz ultravioleta y se utiliza en la fabricación de semiconductores y en la cirugía ocular Lasik;
    * Láser neodimio-YAG, un láser de alto poder que opera con luz infrarroja; se utiliza para cortar, soldar y marcar metales y otros materiales.
    * YAG dopado con erbio, 1645 nm
    * YAG dopado con tulio, 2015 nm
    * YAG dopado con holmio, 2090 nm, un láser de alto poder que opera con luz infrarroja, es absorbido de manera explosiva por tejidos impregnados de humedad en secciones de menos de un milímetro de espesor. Generalmente opera en modo pulsante y pasa a través de dispositivos quirúrgicos de fibra óptica. Se utiliza para quitar manchas de los dientes, vaporizar tumores cancerígenos y deshacer cálculos renales y vesiculares.
    * Láser de Zafiro dopado con Titanio, es un láser infrarrojo fácilmente sintonizable que se utiliza en espectroscopía.
    * Láser de fibra dopada con erbio, un tipo de láser formado de una fibra óptica especialmente fabricada, que se utiliza como amplificador para comunicaciones ópticas.
    * Láser de colorante, formados por un colorante orgánico operan en el UV-VIS de modo pulsado, usados en espectroscopia por su fácil sintonización y su bajo precio.

Algunas aplicaciones del Láser en la vida cotidiana son:

    * Medicina: Operaciones sin sangre, tratamientos quirúrgico, ayudas a la cicatrizción de hericas, tratamientos de piedas en el riñon, operaciones de vista, operaciones odontológicas.
    * Industria: Cortado, guiado de maquinaria y robots de fabricación, mediciones de distancias precisas mediante láser.
    * Defensa: Guiado misiles balísticos, alternativa al Radar, cegago a la tropas enemigas.
    * Ingenieria Civil: Guiado de máquinas tuneladoras en túneles, diferentes aplicaciones en la topografía como mediciones de distancias a lugares innacesibles.
    * Investigación: Espectroscopía, Interferometría láser, LIDAR, distanciometría.
    * Desarrollos en productos comerciales: Impresoras láser, CD, lectores de código de barras, punteros láser, termómetros, hologramas, aplicaciones en iluminación de espectáculos.
    * Tratamientos cosméticos y cirugía estética: Tratamientos de Acné, celulitis, tratamiento de las estrias, depilación.

FUENTE:http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%A1ser
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PROCESO DE BOMBEO DEL LASER

Los láseres constan de un medio activo capaz de generar el láser. Hay cuatro procesos básicos que se producen en la generación del láser, denominados bombeo, emisión espontánea de radiación, emisión estimulada de radiación y absorción.

Bombeo

Se provoca mediante una fuente de radiación como puede ser una lámpara, el paso de una corriente eléctrica, o el uso de cualquier otro tipo de fuente energética que provoque una emisión. En el láser el bombeo puede ser eléctrico u óptico, mediante tubos de flash o luz.


Resonador óptico


Está compuesto por dos espejos que logran la amplificación y a su vez crean el haz laser. Dos tipos de resonadores: Resonador estable, emite un único haz laser, y Resonador Inestable, emite varios haces.
Emisión espontánea de radiación

Los electrones que vuelven al estado fundamental emiten fotones. Es un proceso aleatorio y la radiación resultante está formada por fotones que se desplazan en distintas direcciones y con fases distintas generándose una radiación monocromática incoherente.
Emisión estimulada de radiación

La emisión estimulada, base de la generación de radiación de un láser, se produce cuando un átomo en estado excitado recibe un estímulo externo que lo lleva a emitir fotones y así retornar a un estado menos excitado. El estímulo en cuestión proviene de la llegada de un fotón con energía similar a la diferencia de energía entre los dos estados. Los fotones así emitidos por el átomo estimulado poseen fase, energía y dirección similares a las del fotón externo que les dio origen. La emisión estimulada descrita es la raíz de muchas de las características de la luz láser. No sólo produce luz coherente y monocroma, sino que también "amplifica" la emisión de luz, ya que por cada fotón que incide sobre un átomo excitado se genera otro fotón.
Absorción

Proceso mediante el cual se absorbe un fotón. El sistema atómico se excita a un estado de energía más alto, pasando un electrón al estado metaestable. Este fenómeno compite con el de la emisión estimulada de radiación.

FUENTE:http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%A1ser#Bombeo

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Leonardo R. Sanabria A.
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PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTOS Y TIPOS DE LASER

L A S E R .

INTRODUCCIÓN  Láser, dispositivo de amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. Los láseres son aparatos que amplifican la luz y producen haces de luz coherente; su frecuencia va desde el infrarrojo hasta los rayos X. Un haz de luz es coherente cuando sus ondas, o fotones, se propagan de forma acompasada, o en fase. Esto hace que la luz láser pueda ser extremadamente intensa, muy direccional, y con una gran pureza de color (frecuencia). Los máseres son dispositivos similares para microondas.

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO 


Los láseres obligan a los átomos a almacenar luz y emitirla en forma coherente. Primero, los electrones de los átomos del láser son bombeados hasta un estado excitado por una fuente de energía. Después, se los `estimula' mediante fotones externos para que emitan la energía almacenada en forma de fotones, mediante un proceso conocido como emisión estimulada. Los fotones emitidos tienen una frecuencia que depende de los átomos en cuestión y se desplazan en fase con los fotones que los estimulan. Los fotones emitidos chocan a su vez con otros átomos excitados y liberan nuevos fotones. La luz se amplifica a medida que los fotones se desplazan hacia atrás y hacia adelante entre dos espejos paralelos desencadenando nuevas emisiones estimuladas. Al mismo tiempo, la luz láser, intensa, direccional y monocromática, se `filtra' por uno de los espejos, que es sólo parcialmente reflectante.

L A S E R .

INTRODUCCIÓN  Láser, dispositivo de amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. Los láseres son aparatos que amplifican la luz y producen haces de luz coherente; su frecuencia va desde el infrarrojo hasta los rayos X. Un haz de luz es coherente cuando sus ondas, o fotones, se propagan de forma acompasada, o en fase. Esto hace que la luz láser pueda ser extremadamente intensa, muy direccional, y con una gran pureza de color (frecuencia). Los máseres son dispositivos similares para microondas.
PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO  


Los láseres obligan a los átomos a almacenar luz y emitirla en forma coherente. Primero, los electrones de los átomos del láser son bombeados hasta un estado excitado por una fuente de energía. Después, se los `estimula' mediante fotones externos para que emitan la energía almacenada en forma de fotones, mediante un proceso conocido como emisión estimulada. Los fotones emitidos tienen una frecuencia que depende de los átomos en cuestión y se desplazan en fase con los fotones que los estimulan. Los fotones emitidos chocan a su vez con otros átomos excitados y liberan nuevos fotones. La luz se amplifica a medida que los fotones se desplazan hacia atrás y hacia adelante entre dos espejos paralelos desencadenando nuevas emisiones estimuladas. Al mismo tiempo, la luz láser, intensa, direccional y monocromática, se `filtra' por uno de los espejos, que es sólo parcialmente reflectante.
La emisión estimulada, el proceso en que se basa el láser, fue descrita por primera vez por Albert Einstein en 1917. En 1958, los físicos estadounidenses Arthur Schawlow y Charles Hard Townes describieron a grandes rasgos los principios de funcionamiento del láser en su solicitud de patente. Obtuvieron la patente, pero posteriormente fue impugnada por el físico e ingeniero estadounidense Gordon Gould. En 1960, el físico estadounidense Theodore Maiman observó el primer proceso láser en un cristal de rubí. Un año más tarde, el físico estadounidense nacido en Irán Alí Javan construyó un láser de helio-neón. En 1966, el físico estadounidense Peter Sorokin construyó un láser de líquido. En 1977, el Tribunal de Patentes de Estados Unidos confirmó una de las reivindicaciones de Gould en relación con los principios de funcionamiento del láser.
TIPOS DE LÁSER  
Según el medio que emplean, los láseres suelen denominarse de estado sólido, de gas, de semiconductores o líquidos.
Láseres de estado sólido  Los medios más comunes en los láseres de estado sólido son varillas de cristal de rubí o vidrios y cristales con impurezas de neodimio. Los extremos de la varilla se tallan de forma que sus superficies sean paralelas y se recubren con una capa reflectante no metálica. Los láseres de estado sólido proporcionan las emisiones de mayor energía. Normalmente funcionan por pulsos, generando un destello de luz durante un tiempo breve. Se han logrado pulsos de sólo 1,2 × 10-14 segundos, útiles para estudiar fenómenos físicos de duración muy corta. El bombeo se realiza mediante luz de tubos de destello de xenón, lámparas de arco o lámparas de vapor metálico. La gama de frecuencias se ha ampliado desde el infrarrojo (IR) hasta el ultravioleta (UV) al multiplicar la frecuencia original del láser con cristales de dihidrogenofosfato de potasio, y se han obtenido longitudes de onda aún más cortas, correspondientes a rayos X, enfocando el haz de un láser sobre blancos de itrio.
Láseres de gas  




El medio de un láser de gas puede ser un gas puro, una mezcla de gases o incluso un vapor metálico, y suele estar contenido en un tubo cilíndrico de vidrio o cuarzo. En el exterior de los extremos del tubo se sitúan dos espejos para formar la cavidad del láser. Los láseres de gas son bombeados por luz ultravioleta, haces de electrones, corrientes eléctricas o reacciones químicas. El láser de helio-neón resalta por su elevada estabilidad de frecuencia, pureza de color y mínima dispersión del haz. Los láseres de dióxido de carbono son muy eficientes, y son los láseres de onda continua (CW, siglas en inglés) más potentes.
Láseres de semiconductores  Los láseres de semiconductores son los más compactos, y suelen estar formados por una unión entre capas de semiconductores con diferentes propiedades de conducción eléctrica. La cavidad del láser se mantiene confinada en la zona de la unión mediante dos límites reflectantes. El arseniuro de galio es el semiconductor más usado. Los láseres de semiconductores se bombean mediante la aplicación directa de corriente eléctrica a la unión, y pueden funcionar en modo CW con una eficiencia superior al 50%. Se ha diseñado un método que permite un uso de la energía aún más eficiente. Implica el montaje vertical de láseres minúsculos, con una densidad superior al millón por centímetro cuadrado. Entre los usos más comunes de los láseres de semiconductores están los reproductores de discos compactos y las impresoras láser.
Láseres líquidos  Los medios más comunes en los láseres líquidos son tintes inorgánicos contenidos en recipientes de vidrio. Se bombean con lámparas de destello intensas —cuando operan por pulsos— o por un láser de gas —cuando funcionan en modo CW. La frecuencia de un láser de colorante sintonizable puede modificarse mediante un prisma situado en la cavidad del láser.
Láseres de electrones libres  En 1977 se desarrollaron por primera vez láseres que emplean para producir radiación haces de electrones, no ligados a átomos, que circulan a lo largo de las líneas de un campo magnético; actualmente están adquiriendo importancia como instrumentos de investigación. Su frecuencia es regulable, como ocurre con los láseres de colorante, y en teoría un pequeño número podría cubrir todo el espectro, desde el infrarrojo hasta los rayos X. Con los láseres de electrones libres debería generarse radiación de muy alta potencia que actualmente resulta demasiado costosa de producir.
APLICACIONES DEL LÁSER  
Los posibles usos del láser son casi ilimitados. El láser se ha convertido en una herramienta valiosa en la industria, la investigación científica, la tecnología militar o el arte.
Industria  

Es posible enfocar sobre un punto pequeño un haz de láser potente, con lo que se logra una enorme densidad de energía. Los haces enfocados pueden calentar, fundir o vaporizar materiales de forma precisa. Por ejemplo, los láseres se usan para taladrar diamantes, modelar máquinas herramientas, recortar componentes microelectrónicos, calentar chips semiconductores, cortar patrones de moda, sintetizar nuevos materiales o intentar inducir la fusión nuclear controlada. El potente y breve pulso producido por un láser también hace posibles fotografías de alta velocidad con un tiempo de exposición de algunas billonésimas de segundo. En la construcción de carreteras y edificios se utilizan láseres para alinear las estructuras.
Investigación científica  Los láseres se emplean para detectar los movimientos de la corteza terrestre y para efectuar medidas geodésicas. También son los detectores más eficaces de ciertos tipos de contaminación atmosférica. Los láseres se han empleado igualmente para determinar con precisión la distancia entre la Tierra y la Luna y en experimentos de relatividad. Actualmente se desarrollan conmutadores muy rápidos activados por láser para su uso en aceleradores de partículas, y se han diseñado técnicas que emplean haces de láser para atrapar un número reducido de átomos en un vacío con el fin de estudiar sus espectros con una precisión muy elevada. Como la luz del láser es muy direccional y monocromática, resulta fácil detectar cantidades muy pequeñas de luz dispersa o modificaciones en la frecuencia provocadas por materia. Midiendo estos cambios, los científicos han conseguido estudiar las estructuras moleculares. Los láseres han hecho que se pueda determinar la velocidad de la luz con una precisión sin precedentes; también permiten inducir reacciones químicas de forma selectiva y detectar la existencia de trazas de sustancias en una muestra.
Comunicaciones  La luz de un láser puede viajar largas distancias por el espacio exterior con una pequeña reducción de la intensidad de la señal. Debido a su alta frecuencia, la luz láser puede transportar, por ejemplo, 1.000 veces más canales de televisión de lo que transportan las microondas. Por ello, los láseres resultan ideales para las comunicaciones espaciales. Se han desarrollado fibras ópticas de baja pérdida que transmiten luz láser para la comunicación terrestre, en sistemas telefónicos y redes de computadoras. También se han empleado técnicas láser para registrar información con una densidad muy alta. Por ejemplo, la luz láser simplifica el registro de un holograma, a partir del cual puede reconstruirse una imagen tridimensional mediante un rayo láser.
Medicina
Con haces intensos y estrechos de luz láser es posible cortar y cauterizar ciertos tejidos en una fracción de segundo sin dañar al tejido sano circundante. El láser se ha empleado para `soldar' la retina, perforar el cráneo, reparar lesiones y cauterizar vasos sanguíneos. También se han desarrollado técnicas láser para realizar pruebas de laboratorio en muestras biológicas pequeñas.
Tecnología militar  Los sistemas de guiado por láser para misiles, aviones y satélites son muy comunes. La capacidad de los láseres de colorante sintonizables para excitar de forma selectiva un átomo o molécula puede llevar a métodos más eficientes para la separación de isótopos en la fabricación de armas nucleares.
MEDIDAS DE SEGURIDAD  
El principal peligro al trabajar con láseres es el daño ocular, ya que el ojo concentra la luz láser igual que cualquier otro tipo de luz. Por eso, el haz del láser no debe incidir sobre los ojos directamente ni por reflexión. Un láser debe ser manejado por personal experto equipado con gafas o anteojos de seguridad.
LÁSER ATÓMICO  En enero de 1997, un equipo de físicos estadounidenses anunció la creación del primer láser compuesto de materia en vez de luz. Del mismo modo que en un láser de luz cada fotón viaja en la misma dirección y con la misma longitud de onda que cualquier otro fotón, en un láser atómico cada átomo se comporta de la misma manera que cualquier otro átomo, formando una "onda de materia" coherente.

Los científicos confían en las numerosas e importantes aplicaciones potenciales de los láseres atómicos, aunque presenten algunas desventajas prácticas frente a los láseres de luz debido a que los átomos están sujetos a fuerzas gravitatorias e interaccionan unos con otros de forma distinta a como lo hacen los fotones.
El artículo Cirugía con láser muestra las muchas aplicaciones que el láser presenta en el tratamiento de distintas enfermedades, como la limpieza de la luz de las arterias, la disgregación de cálculos renales o la eliminación de cataratas. El texto que se reproduce a continuación muestra algunas de estas aplicaciones.

La emisión estimulada, el proceso en que se basa el láser, fue descrita por primera vez por Albert Einstein en 1917. En 1958, los físicos estadounidenses Arthur Schawlow y Charles Hard Townes describieron a grandes rasgos los principios de funcionamiento del láser en su solicitud de patente. Obtuvieron la patente, pero posteriormente fue impugnada por el físico e ingeniero estadounidense Gordon Gould. En 1960, el físico estadounidense Theodore Maiman observó el primer proceso láser en un cristal de rubí. Un año más tarde, el físico estadounidense nacido en Irán Alí Javan construyó un láser de helio-neón. En 1966, el físico estadounidense Peter Sorokin construyó un láser de líquido. En 1977, el Tribunal de Patentes de Estados Unidos confirmó una de las reivindicaciones de Gould en relación con los principios de funcionamiento del láser.

TIPOS DE LÁSER 
Según el medio que emplean, los láseres suelen denominarse de estado sólido, de gas, de semiconductores o líquidos.

Láseres de estado sólido  Los medios más comunes en los láseres de estado sólido son varillas de cristal de rubí o vidrios y cristales con impurezas de neodimio. Los extremos de la varilla se tallan de forma que sus superficies sean paralelas y se recubren con una capa reflectante no metálica. Los láseres de estado sólido proporcionan las emisiones de mayor energía. Normalmente funcionan por pulsos, generando un destello de luz durante un tiempo breve. Se han logrado pulsos de sólo 1,2 × 10-14 segundos, útiles para estudiar fenómenos físicos de duración muy corta. El bombeo se realiza mediante luz de tubos de destello de xenón, lámparas de arco o lámparas de vapor metálico. La gama de frecuencias se ha ampliado desde el infrarrojo (IR) hasta el ultravioleta (UV) al multiplicar la frecuencia original del láser con cristales de dihidrogenofosfato de potasio, y se han obtenido longitudes de onda aún más cortas, correspondientes a rayos X, enfocando el haz de un láser sobre blancos de itrio.

Láseres de gas 

Láser


El medio de un láser de gas puede ser un gas puro, una mezcla de gases o incluso un vapor metálico, y suele estar contenido en un tubo cilíndrico de vidrio o cuarzo. En el exterior de los extremos del tubo se sitúan dos espejos para formar la cavidad del láser. Los láseres de gas son bombeados por luz ultravioleta, haces de electrones, corrientes eléctricas o reacciones químicas. El láser de helio-neón resalta por su elevada estabilidad de frecuencia, pureza de color y mínima dispersión del haz. Los láseres de dióxido de carbono son muy eficientes, y son los láseres de onda continua (CW, siglas en inglés) más potentes.

Láseres de semiconductores  Los láseres de semiconductores son los más compactos, y suelen estar formados por una unión entre capas de semiconductores con diferentes propiedades de conducción eléctrica. La cavidad del láser se mantiene confinada en la zona de la unión mediante dos límites reflectantes. El arseniuro de galio es el semiconductor más usado. Los láseres de semiconductores se bombean mediante la aplicación directa de corriente eléctrica a la unión, y pueden funcionar en modo CW con una eficiencia superior al 50%. Se ha diseñado un método que permite un uso de la energía aún más eficiente. Implica el montaje vertical de láseres minúsculos, con una densidad superior al millón por centímetro cuadrado. Entre los usos más comunes de los láseres de semiconductores están los reproductores de discos compactos y las impresoras láser.

Láseres líquidos  Los medios más comunes en los láseres líquidos son tintes inorgánicos contenidos en recipientes de vidrio. Se bombean con lámparas de destello intensas —cuando operan por pulsos— o por un láser de gas —cuando funcionan en modo CW. La frecuencia de un láser de colorante sintonizable puede modificarse mediante un prisma situado en la cavidad del láser.

Láseres de electrones libres  En 1977 se desarrollaron por primera vez láseres que emplean para producir radiación haces de electrones, no ligados a átomos, que circulan a lo largo de las líneas de un campo magnético; actualmente están adquiriendo importancia como instrumentos de investigación. Su frecuencia es regulable, como ocurre con los láseres de colorante, y en teoría un pequeño número podría cubrir todo el espectro, desde el infrarrojo hasta los rayos X. Con los láseres de electrones libres debería generarse radiación de muy alta potencia que actualmente resulta demasiado costosa de producir.

APLICACIONES DEL LÁSER 
Los posibles usos del láser son casi ilimitados. El láser se ha convertido en una herramienta valiosa en la industria, la investigación científica, la tecnología militar o el arte.

Industria 


Es posible enfocar sobre un punto pequeño un haz de láser potente, con lo que se logra una enorme densidad de energía. Los haces enfocados pueden calentar, fundir o vaporizar materiales de forma precisa. Por ejemplo, los láseres se usan para taladrar diamantes, modelar máquinas herramientas, recortar componentes microelectrónicos, calentar chips semiconductores, cortar patrones de moda, sintetizar nuevos materiales o intentar inducir la fusión nuclear controlada. El potente y breve pulso producido por un láser también hace posibles fotografías de alta velocidad con un tiempo de exposición de algunas billonésimas de segundo. En la construcción de carreteras y edificios se utilizan láseres para alinear las estructuras.

Investigación científica  Los láseres se emplean para detectar los movimientos de la corteza terrestre y para efectuar medidas geodésicas. También son los detectores más eficaces de ciertos tipos de contaminación atmosférica. Los láseres se han empleado igualmente para determinar con precisión la distancia entre la Tierra y la Luna y en experimentos de relatividad. Actualmente se desarrollan conmutadores muy rápidos activados por láser para su uso en aceleradores de partículas, y se han diseñado técnicas que emplean haces de láser para atrapar un número reducido de átomos en un vacío con el fin de estudiar sus espectros con una precisión muy elevada. Como la luz del láser es muy direccional y monocromática, resulta fácil detectar cantidades muy pequeñas de luz dispersa o modificaciones en la frecuencia provocadas por materia. Midiendo estos cambios, los científicos han conseguido estudiar las estructuras moleculares. Los láseres han hecho que se pueda determinar la velocidad de la luz con una precisión sin precedentes; también permiten inducir reacciones químicas de forma selectiva y detectar la existencia de trazas de sustancias en una muestra.

Comunicaciones  La luz de un láser puede viajar largas distancias por el espacio exterior con una pequeña reducción de la intensidad de la señal. Debido a su alta frecuencia, la luz láser puede transportar, por ejemplo, 1.000 veces más canales de televisión de lo que transportan las microondas. Por ello, los láseres resultan ideales para las comunicaciones espaciales. Se han desarrollado fibras ópticas de baja pérdida que transmiten luz láser para la comunicación terrestre, en sistemas telefónicos y redes de computadoras. También se han empleado técnicas láser para registrar información con una densidad muy alta. Por ejemplo, la luz láser simplifica el registro de un holograma, a partir del cual puede reconstruirse una imagen tridimensional mediante un rayo láser.

Medicina 
Con haces intensos y estrechos de luz láser es posible cortar y cauterizar ciertos tejidos en una fracción de segundo sin dañar al tejido sano circundante. El láser se ha empleado para `soldar' la retina, perforar el cráneo, reparar lesiones y cauterizar vasos sanguíneos. También se han desarrollado técnicas láser para realizar pruebas de laboratorio en muestras biológicas pequeñas.

Tecnología militar  Los sistemas de guiado por láser para misiles, aviones y satélites son muy comunes. La capacidad de los láseres de colorante sintonizables para excitar de forma selectiva un átomo o molécula puede llevar a métodos más eficientes para la separación de isótopos en la fabricación de armas nucleares.

MEDIDAS DE SEGURIDAD 
El principal peligro al trabajar con láseres es el daño ocular, ya que el ojo concentra la luz láser igual que cualquier otro tipo de luz. Por eso, el haz del láser no debe incidir sobre los ojos directamente ni por reflexión. Un láser debe ser manejado por personal experto equipado con gafas o anteojos de seguridad.

LÁSER ATÓMICO  En enero de 1997, un equipo de físicos estadounidenses anunció la creación del primer láser compuesto de materia en vez de luz. Del mismo modo que en un láser de luz cada fotón viaja en la misma dirección y con la misma longitud de onda que cualquier otro fotón, en un láser atómico cada átomo se comporta de la misma manera que cualquier otro átomo, formando una "onda de materia" coherente.


Los científicos confían en las numerosas e importantes aplicaciones potenciales de los láseres atómicos, aunque presenten algunas desventajas prácticas frente a los láseres de luz debido a que los átomos están sujetos a fuerzas gravitatorias e interaccionan unos con otros de forma distinta a como lo hacen los fotones.

El artículo Cirugía con láser muestra las muchas aplicaciones que el láser presenta en el tratamiento de distintas enfermedades, como la limpieza de la luz de las arterias, la disgregación de cálculos renales o la eliminación de cataratas. El texto que se reproduce a continuación muestra algunas de estas aplicaciones.

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