Fisica General Burbano

LÁSER Y MÁSER 687
rante un mínimo de tiempo. Estos, antes de salir por el espejo semitransparente se han reflejado algunas
veces en los espejos provocando en su camino la emisión en avalancha de otros fotones.
XXVIII – 21. Máser de gas.
En el primer máser construido se utilizó el gas amoníaco, cuya molécula es piramidal (Fig.XX-
VIII-25) con los tres hidrógenos en los vértices de la base y el nitrógeno en el de la pirámide. Se
aprovecha la oscilación del nitrógeno respecto del plano de los tres átomos de hidrógeno: la
energía de vibración se desdobla en dos estados contiguos E 1
y E 2
. Un separador (Fig. XXVIII-26)
que produce un campo eléctrico no homogéneo proyecta las moléculas de mayor energía, E 2
,
dentro de una cavidad resonante, después de separarlas de las de energía menor, E 1
. Una vez en
la cavidad una microonda de frecuencia n = (E 2
– E 1
)/h provoca la emisión estimulada. En el máser
de amoníaco no se produce realmente una inversión de población entre dos niveles, sino que
se aprovechan las moléculas ya excitadas.
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XXVIII – 22. Bombeo óptico
Fig. XXVIII-25.– En la molécula de
El BOMBEO ÓPTICO consiste en la promoción de electrones del nivel fundamental a un nivel excitado
mediante irradiación con luz de la frecuencia adecuada. La finalidad del bombeo es la de del plano de los tres hidrógenos.
amoníaco el nitrógeno vibra respecto
producir una inversión de población, para lo cual han de participar al menos tres niveles energéticos
(láser de tres niveles), el fundamental y dos excitados, uno de los cuales
debe ser metaestable. En un ESTADO METAESTABLE los electrones excitados permanecen
del orden de 10 5 veces más tiempo que en un estado excitado ordinario,
en el que lo hacen durante aproximadamente 10 – 8 segundos. Las energías
de los tres niveles son E 1
, E 2
y E 3
en las Fig. XXVIII-27 y 28.
La luz incidente bombea electrones del estado E 1
al E 3
, y de existir solamente
ellos dos el bombeo sería equilibrado por la emisión estimulada E 3
→ E 1
,
con lo que no habría amplificación. La presencia del estado E 2
permite la creación
de la inversión de población. Si el estado metaestable es E 3
(Fig. XXVIII-
27), los electrones que realizan la transición E 3
→ E 2
vuelven rápidamente de
éste al estado fundamental, con lo que se produce una inversión entre E Fig. XXVIII-26.– Máser de amoníaco. Las moléculas de
3
y E 2
energía E 2
, mayor que E 1
, penetran en la cavidad, en la
que permite la radiación láser con la frecuencia n = (E 3
– E 2
)/h. De la misma
que estimuladamente pasan al estado E 1
emitiendo un
forma, si el estado metaestable es E 2
(Fig. XXVIII-28), la transición espontánea
fotón de microondas.
rápida E 3
→ E 2
proporciona la inversión entre E 1
y E 2
, con la consiguiente radiación
láser de frecuencia n = (E 2
– E 1
)/h.
En un LÁSER DE CUATRO NIVELES, representados en la Fig. XXVIII-29, el estado metaestable es el
E 3
y las transiciones espontáneas son E 4
→ E 3
y E 2
→ E 1
. Al bombear los electrones de E 1
a E 4
éstos caen rápidamente a E 3
; los que saltan a E 2
vuelven rápidamente al estado fundamental E 1
.
Se produce una inversión de población entre E 3
y E 2
que permite la amplificación láser de frecuencia
n = (E 3
– E 2
)/h.
XXVIII – 23. Láseres de rubí y de helio-neón
En el primero el material láser es una barra de rubí, óxido de aluminio Al 2
O 3
con un pequeño
porcentaje de átomos de aluminio sustituidos por cromo. Este, cuyos niveles de energía se representan
en la Fig. XXVIII-30, es el responsable de la amplificación láser. El bombeo se produce mediante
una lámpara de mercurio, para una longitud de onda de 550 nm, lo que equivale a los
2,2 eV del salto energético entre E 1
y E 3
. Como se muestra en la Fig. XXVIII-31, un espejo cilíndrico
de sección elíptica concentra la luz de la lámpara en la barra de rubí. El estado metaestable es
el E 2
, con lo que se produce radiación espontánea en el salto de E 3
a E 2
y radiación láser en el salto
estimulado E 2
→ E 1
con una longitud de onda de 694,3 nm. Los fotones de la radiación espontánea
que acompañan a la luz láser constituyen el «ruido».
En el láser de helio-neón (He-Ne) ambos gases se encuentran encerrados en un tubo de descarga
a una presión del orden de 10 – 3 atm. El bombeo de electrones no es óptico sino que se produce
por colisiones de iones con electrones cuando en el tubo se produce la descarga al aplicar un
voltaje suficiente. Los átomos de Helio son excitados al estado E 2
metaestable (Fig. XXVIII-32)
20,61 eV más energético que el fundamental.
El neón presenta dos estados excitados próximos a E 2
, uno E′ 3
a 20,66 eV de su estado fundamental
y otro E′ 2
a 18,70 eV. Un átomo de helio excitado y con una pequeña energía cinética, de
0,05 eV como mínimo, puede colisionar con un átomo de neón con energía E′ 1
y excitarlo hasta
E′ 3
, quedando el helio en su nivel fundamental. Puesto que E 2
es un estado metaestable del helio y
la energía se transfiere al neón con mucha facilidad, el estado E′ 3
de éste se comporta como metaestable;
por otra parte el estado E′ 2
se desexcita rápida y espontáneamente al E′ 1
, con lo que se
produce una inversión de población entre E y E′ ′
3 2
que posibilita la amplificación láser con una longitud
de onda de 632,8 nm.
En los dos tipos de láser descritos, como en todos, el montaje se completa con los espejos citados
en la sección XXVIII-20, que aumentan el tiempo de permanencia de los fotones en el material
láser favoreciendo la emisión estimulada en avalancha.
Fig. XXVIII-27.– El estado metaestable
es E 3
. La inversión de población
se da entre E 2
y E 3
. n 1
= frecuencia
del fotón de bombeo; n 2
= frecuencia
del fotón emitido espontáneamente;
Fig. XXVIII-28.– El estado metaestable
en E 2
. La inversión se da entre E 1
y E 2
.