Este documento describe los fundamentos del láser, incluyendo la emisión estimulada, el bombeo de energía para excitar los átomos en el medio activo, y las características clave de la luz láser como la monocromaticidad, coherencia, baja divergencia y alta potencia en pulsos cortos. Explica cómo el primer láser construido por Maiman usó un cristal de rubí dopado con cromo como el medio activo.

1. EL LASER

2. Fundamentos del láser
 Hay dos aproximaciones básicas que pueden
adoptarse para desarrollar fuentes luminosas
con la potencia por unidad de frecuencia de
los dispositivos de radiofrecuencia: extender
los principios del oscilador eletrônico alas
longitudes de onda ópticas mas cortas, o bien
encontrar alguna manera de conseguir que
osciladores atómicos o moleculares
trabajen juntos.

3. La primera aproximación requiere la construcción de
estructuras resonantes con dimensiones del orden
de la longitud de onda a generar.
Se han construido resonadores electrónicos para la
generación de ondas de hasta un milímetro de
longitud, mientras que las longitudes de las ondas
ópticas son alrededor de 1.000 veces menores. No
resultó factible construir resonadores de este
tamaño.
La segunda aproximación es el principio según el
que fueron concebidos y construidos primeramente
el maser (sigla de Amplificación de microondas por
emisión estimulada de radiación), por C.H. Townes
en 1951, y luego el láser, porT. H. Maiman en 1960.

4.  La clave para sincronizar la gran cantidad de osciladores
atómicos y moleculares disponibles en una masa
determinada de material es el fenómeno, descrito primero
por Einstein en 1917, de la emisión estimulada.
 Normalmente, cuando un fotón es absorbido por un átomo,
su energía se convierte en energía interna del átomo, y se
dice que este esta en un estado “excitado”.
 Generalmente, éste no es un estado estable, y tiene corta
vida, y el átomo radiará eventualmente ese exceso de
energía espontáneamente y se revertirá al estado de “base”
(es decir, el estado estable).
 Algunos átomos, sin embargo, retienen esos electrones en
estado “excitado” por un tiempo mucho más largo.

5.  Si el átomo puede ser golpeado por un fotón
de energía hv mientras esta en el estado
excitado, se estimula para hacer una
inmediata transición al estado de base y
ceder un fotón, en un proceso denominado
emisión estimulada.

6.  El problema de ingeniería en el diseño de un
láser es el de preparar un “medio activo” en el
que la mayor parte de los átomos puede
ponerse en un estado excitado, de modo que
una onda de fotones de la frecuencia correcta
que pase a través de ellos estimulará una
cascada de fotones. Debe haber un exceso de
átomos excitados para hacer que la emisión
estimulada predomine sobre la absorción.

7. En un láser multiestado, los átomos pueden
elevarse aun estado excitado inyectando en
el sistema, energía electromagnética de una
longitud de onda diferente de la longitud de
onda estimulante. Este proceso de activación
se denomina “bombeo”.

8.  Por ejemplo, el primer laser construido por
Maiman consistía en un único cristal de rubí
rosado sintético, Al2O3, dopado con la
adición de la impureza Cr2O3. Los átomos
inertes de aluminio y oxígeno suspenden los
 átomos de cromo que forman realmente el
medio activo

9.  Con bajos niveles de energía
do bombeo, se produce
fluorescencia coherente en el
rojo a 0.694µ.
Sin embargo, el ancho de
linea resulta algo grande, tal
como en la mayor parte delas
emisiones secundarias
espontaneas. En cambio, si la
energía de bombeo excede un
cierto umbral, ver figura 10-
16, resulta la línea angosta
característica del láser. Este
efecto se debe al medio activo
y al hecho que el rubí es una
actividad resonante
ópticamente.

10.  Las cavidades ópticamente resonantes
pueden usar combinaciones de espejos
planos y esféricos o gratículas de difracción.
La cavidad de planos paralelos de la figura 10-
17 se encuentra en casi todos los láseres
 pulsados de estado sólido.

11. Monocromatismo.
 La luz lasérica proviene predominantemente de un
nivel particular de energía asociado con una longitud
de onda determinada seleccionada por la longitud
óptica de la cavidad. Normalmente es deseable
tener una sola Línea presente,
 De modo que la luz es casi siempre monocromática.
La vibración térmica de los átomos del medio activo
producirán el ensanchamiento doppler de la línea, y
la presencia de impurezas puede hacer que estén
presentes otras longitudes de onda.
 Se usa a veces la coherencia temporal (o de tiempo)
para describir la característica de frecuencia única
del laser.

12. Coherencia.
La coherencia es la propiedad por la que todas las
ondas tienen fases fijas entre sí. La luz láserica es
coherente cuando emerge del espejo de salida del
láser y permanece así por cierta distancia de
“coherencia”. Las pequeñas variaciones en la
estabilidad mecánica, acústica y térmica del laser
afectan adversamente su estabilidad en frecuencia.
La longitud de coherencia espacial de un láser de
onda continua de gas He-Ne, conocido por su
estabilidad, es típicamente de alrededor de 30 km
para un desplazamiento en frecuencia de 112 ancho
de línea. El láser de rubí es bastante inestable, y
tiene una distancia de coherencia del orden de un
metro.

13. Divergencia.
Dado que la luz lasérica emerge
perpendicularmente al espejo de salida, el
has tiene muy poca divergencia,
normalmente del orden de un miliradián.

14. Potencia.
 La mayoría de los láseres operan con
rendimientos relativamente bajos,
usualmente un muy reducido porcentaje en el
mejor de los casos. Los láseres pulsados no
son la excepción. Son capaces de entregar
salidas de energía comparativamente bajas,
pero sin embargo los pulsos de muy corta
duración contienen muy altas potencias de
salida.