Láser de rubí - Ruby laser
Un láser de rubí es un láser de estado sólido que utiliza un cristal de rubí sintético como medio de ganancia . El primer láser en funcionamiento fue un láser de rubí fabricado por Theodore H. "Ted" Maiman en Hughes Research Laboratories el 16 de mayo de 1960.
Los láseres de rubí producen pulsos de luz visible coherente a una longitud de onda de 694,3 nm , que es de un color rojo intenso. Las longitudes típicas de pulso de láser de rubí son del orden de un milisegundo .
Diseño
Un láser de rubí suele consistir en una varilla de rubí que debe bombearse con una energía muy alta, generalmente desde un tubo de destello , para lograr una inversión de población . La varilla a menudo se coloca entre dos espejos, formando una cavidad óptica , que hace oscilar la luz producida por la fluorescencia del rubí , provocando una emisión estimulada . Ruby es uno de los pocos láseres de estado sólido que producen luz en el rango visible del espectro, con un láser de 694,3 nanómetros, en un color rojo intenso, con un ancho de línea muy estrecho de 0,53 nm.
El láser de rubí es un láser de estado sólido de tres niveles . El medio de láser activo ( medio de amplificación / ganancia de láser ) es una varilla de rubí sintética que se energiza mediante bombeo óptico , normalmente mediante un tubo de destello de xenón . Ruby tiene bandas de absorción muy amplias y potentes en el espectro visual, a 400 y 550 nm, y una vida útil de fluorescencia muy larga de 3 milisegundos. Esto permite un bombeo de muy alta energía, ya que la duración del pulso puede ser mucho mayor que con otros materiales. Si bien el rubí tiene un perfil de absorción muy amplio, su eficiencia de conversión es mucho menor que la de otros medios.
En los primeros ejemplos, los extremos de la barra tenían que pulirse con gran precisión, de modo que los extremos de la barra fueran planos dentro de un cuarto de longitud de onda de la luz de salida y paralelos entre sí en unos pocos segundos de arco. Los extremos finamente pulidos de la varilla estaban plateados ; un extremo completamente, el otro solo parcialmente. La varilla, con sus extremos reflectantes, actúa entonces como un etalón de Fabry-Pérot (o un etalón de Gires-Tournois ). Los láseres modernos a menudo usan varillas con recubrimientos antirreflejos o con los extremos cortados y pulidos en el ángulo de Brewster . Esto elimina los reflejos de los extremos de la varilla. Luego se utilizan espejos dieléctricos externos para formar la cavidad óptica. Los espejos curvos se utilizan típicamente para relajar las tolerancias de alineación y para formar un resonador estable, que a menudo compensa la lente térmica de la varilla.
Ruby también absorbe parte de la luz en su longitud de onda láser. Para superar esta absorción, es necesario bombear toda la longitud de la varilla, sin dejar áreas sombreadas cerca de los soportes. La parte activa del rubí es el dopante , que consiste en iones de cromo suspendidos en un cristal de zafiro sintético . El dopante a menudo comprende alrededor del 0,05% del cristal y es responsable de toda la absorción y emisión de radiación. Dependiendo de la concentración del dopante, el rubí sintético generalmente viene en rosa o rojo.
Aplicaciones
Una de las primeras aplicaciones del láser de rubí fue la medición de distancia. En 1964, los láseres rubí con prisma giratorio q-switches se convirtieron en el estándar para los telémetros militares , hasta la introducción de telémetros Nd: YAG más eficientes una década más tarde. Los láseres de rubí se utilizaron principalmente en investigación. El láser de rubí fue el primer láser utilizado para bombear ópticamente láseres de colorante sintonizables y es particularmente adecuado para excitar tintes láser que emiten en el infrarrojo cercano. Los láseres de rubí rara vez se utilizan en la industria, principalmente debido a su baja eficiencia y bajas tasas de repetición. Uno de los principales usos industriales es la perforación de orificios a través del diamante , porque el haz de alta potencia del rubí se asemeja mucho a la amplia banda de absorción del diamante (la banda GR1) en rojo.
Los láseres de rubí han disminuido en uso con el descubrimiento de mejores medios láser. Todavía se utilizan en una serie de aplicaciones donde se requieren pulsos cortos de luz roja. Los hológrafos de todo el mundo producen retratos holográficos con láseres de rubí, en tamaños de hasta un metro cuadrado. Debido a su alta potencia pulsada y buena longitud de coherencia, se prefiere la luz láser roja de 694 nm a la luz verde de 532 nm de Nd: YAG de frecuencia duplicada , que a menudo requiere múltiples pulsos para hologramas grandes. Muchos laboratorios de pruebas no destructivas utilizan láseres de rubí para crear hologramas de objetos grandes, como neumáticos de aviones, para buscar debilidades en el revestimiento. Los láseres de rubí se utilizaron ampliamente en tatuajes y depilación , pero están siendo reemplazados por láseres de alejandrita y Nd: YAG en esta aplicación.
Historia
El láser de rubí fue el primer láser que se hizo funcional. Construido por Theodore Maiman en 1960, el dispositivo fue creado a partir del concepto de un "máser óptico", un máser que podría operar en las regiones visuales o infrarrojas del espectro.
En 1958, después de que el inventor del máser, Charles Townes , y su colega, Arthur Schawlow , publicaran un artículo en la revista Physical Review sobre la idea de los máseres ópticos, comenzó la carrera para construir un modelo funcional. Ruby se había utilizado con éxito en masers, por lo que era una primera opción como posible medio. Mientras asistía a una conferencia en 1959, Maiman escuchó un discurso pronunciado por Schawlow, describiendo el uso del rubí como medio láser. Schawlow declaró que el rubí rosa, que tiene un estado de energía más bajo que estaba demasiado cerca del estado fundamental, requeriría demasiada energía de bombeo para la operación del láser, lo que sugiere que el rubí rojo es una posible alternativa. Maiman, que había trabajado con rubí durante muchos años y había escrito un artículo sobre la fluorescencia del rubí, sintió que Schawlow estaba siendo "demasiado pesimista". Sus mediciones indicaron que el nivel de energía más bajo del rubí rosa podría al menos agotarse parcialmente bombeando con una fuente de luz muy intensa y, dado que el rubí estaba disponible, decidió intentarlo de todos modos.
También asistió a la conferencia Gordon Gould . Gould sugirió que, pulsando el láser, se podrían producir salidas máximas de hasta un megavatio.
Con el paso del tiempo, muchos científicos comenzaron a dudar de la utilidad de cualquier color rubí como medio láser. Maiman también sintió sus propias dudas, pero, siendo una "persona muy decidida", siguió trabajando en su proyecto en secreto. Buscó para encontrar una fuente de luz que fuera lo suficientemente intensa para bombear la varilla, y una cavidad de bombeo elíptica de alta reflectividad, para dirigir la energía hacia la varilla. Encontró su fuente de luz cuando un vendedor de General Electric le mostró algunos tubos de flash de xenón , alegando que el más grande podía encender la lana de acero si se colocaba cerca del tubo. Maiman se dio cuenta de que, con tal intensidad, no necesitaba una cavidad de bombeo tan reflectante y, con la lámpara helicoidal, no necesitaría que tuviera forma elíptica. Maiman construyó su láser de rubí en Hughes Research Laboratories, en Malibu, California. Utilizó una varilla de rubí rosa, de 1 cm por 1,5 cm, y el 16 de mayo de 1960 disparó el dispositivo, produciendo el primer rayo de luz láser.
El láser de rubí original de Theodore Maiman todavía está operativo. Se demostró el 15 de mayo de 2010 en un simposio coorganizado en Vancouver, Columbia Británica por la Fundación Memorial Dr. Theodore Maiman y la Universidad Simon Fraser , donde el Dr. Maiman fue profesor adjunto en la Escuela de Ciencias de la Ingeniería. El láser original de Maiman fue disparado contra una pantalla de proyección en una habitación oscura. En el centro de un destello blanco (fuga del tubo de destello de xenón), se vio brevemente una mancha roja.
Los láseres de rubí no emitieron un solo pulso, sino que entregaron una serie de pulsos, que consisten en una serie de picos irregulares dentro de la duración del pulso. En 1961, RW Hellwarth inventó un método de conmutación q para concentrar la salida en un solo pulso.
En 1962, Willard Boyle , que trabajaba en Bell Labs , produjo la primera salida continua de un láser de rubí. A diferencia del método habitual de bombeo lateral, la luz de una lámpara de arco de mercurio se bombeaba al extremo de una varilla muy pequeña para lograr la inversión de población necesaria. El láser no emitió una onda continua , sino más bien un tren continuo de pulsos, lo que dio a los científicos la oportunidad de estudiar la producción puntiaguda de rubí. El láser de rubí continuo fue el primer láser que se utilizó en medicina. Fue utilizado por Leon Goldman, un pionero en la medicina láser , para tratamientos como la eliminación de tatuajes, tratamientos de cicatrices y para inducir la curación. Debido a sus límites en potencia de salida, sintonización y complicaciones en el funcionamiento y enfriamiento de las unidades, el láser de rubí continuo fue rápidamente reemplazado por láseres de colorante , Nd: YAG y argón más versátiles .
Referencias
enlaces externos
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