Láser

Un láser es un dispositivo que emite luz mediante un proceso de amplificación óptica basado en la emisión estimulada de radiación electromagnética. La palabra "láser" es un acrónimo de " amplificación de luz por emisión estimulada de radiación ". El primer láser fue construido en 1960 por Theodore H. Maiman en Hughes Research Laboratories, basado en el trabajo teórico de Charles Hard Townes y Arthur Leonard Schawlow.

Un láser se diferencia de otras fuentes de luz en que emite una luz que es coherente. La coherencia espacial permite enfocar un láser en un punto estrecho, lo que permite aplicaciones como el corte por láser y la litografía. La coherencia espacial también permite que un rayo láser permanezca angosto en grandes distancias (colimación), lo que permite aplicaciones como punteros láser y lidar (detección de luz y alcance). Los láseres también pueden tener una alta coherencia temporal, lo que les permite emitir luz con un espectro muy estrecho. Alternativamente, la coherencia temporal se puede usar para producir pulsos de luz ultracortos con un amplio espectro pero con duraciones tan cortas como un femtosegundo.

Los láseres se utilizan en unidades de discos ópticos, impresoras láser, escáneres de códigos de barras, instrumentos de secuenciación de ADN, comunicación óptica de fibra óptica y de espacio libre, fabricación de chips semiconductores (fotolitografía), cirugía láser y tratamientos de la piel, materiales de corte y soldadura, militares y policiales. dispositivos para marcar objetivos y medir rango y velocidad, y en pantallas de iluminación láser para entretenimiento. También se han utilizado láseres semiconductores en azul a UV cercano en lugar de diodos emisores de luz (LED) para excitar la fluorescencia como fuente de luz blanca. Esto permite un área de emisión mucho más pequeña debido a la radiación mucho mayor de un láser y evita la caída que sufren los LED; estos dispositivos ya se utilizan en algunos faros de automóviles.

Fundamentos

Los láseres se distinguen de otras fuentes de luz por su coherencia. La coherencia espacial (o transversal) normalmente se expresa a través de un haz angosto, que está limitado por difracción. Los rayos láser pueden enfocarse en puntos muy pequeños, logrando una irradiación muy alta, o pueden tener una divergencia muy baja para concentrar su poder a una gran distancia. La coherencia temporal (o longitudinal) implica una onda polarizada en una sola frecuencia, cuya fase está correlacionada en una distancia relativamente grande (la longitud de coherencia) a lo largo del haz. Un haz producido por una fuente de luz térmica u otra fuente de luz incoherente tiene una amplitud y una fase instantáneas que varían aleatoriamente con respecto al tiempo y la posición, por lo que tiene una longitud de coherencia corta.

Los láseres se caracterizan según su longitud de onda en el vacío. La mayoría de los láseres de "longitud de onda única" en realidad producen radiación en varios modos con longitudes de onda ligeramente diferentes. Aunque la coherencia temporal implica cierto grado de monocromaticidad, existen láseres que emiten un amplio espectro de luz o emiten diferentes longitudes de onda de luz simultáneamente. Algunos láseres no son de modo espacial único y tienen haces de luz que divergen más de lo requerido por el límite de difracción. Todos estos dispositivos se clasifican como "láseres" según el método de producción de luz por emisión estimulada. Los láseres se emplean donde la luz de la coherencia espacial o temporal requerida no se puede producir usando tecnologías más simples.

Terminología

El primer dispositivo que utilizaba amplificación por emisión estimulada operaba en frecuencias de microondas y se denominó "maser", un acrónimo de "amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación". Cuando se desarrollaron dispositivos ópticos similares, primero se los conoció como "máseres ópticos", hasta que "microondas" fue reemplazado por "luz" en el acrónimo.

Todos estos dispositivos que funcionan a frecuencias superiores a las microondas se denominan láseres (incluidos el láser infrarrojo, el láser ultravioleta, el láser de rayos X y el láser de rayos gamma). Todos los dispositivos que funcionan en microondas o frecuencias de radio más bajas se denominan másers.

Un láser que produce luz por sí mismo es técnicamente un oscilador óptico en lugar de un amplificador óptico como sugiere el acrónimo. Se ha señalado con humor que el acrónimo LOSER, por "oscilación de luz por emisión estimulada de radiación", habría sido más correcto. Con el uso generalizado del acrónimo original como nombre común, los amplificadores ópticos se conocen como "amplificadores láser".

El verbo to laser en forma inversa se usa con frecuencia en el campo, lo que significa "emitir luz coherente", especialmente en referencia al medio de ganancia de un láser; cuando un láser está funcionando, se dice que está "lasting". Las palabras láser y máser también se utilizan en los casos en que existe un estado coherente desconectado de cualquier dispositivo fabricado, como en el máser astrofísico y el láser atómico.

Diseño

Un láser consta de un medio de ganancia, un mecanismo para energizarlo y algo para proporcionar retroalimentación óptica. El medio de ganancia es un material con propiedades que le permiten amplificar la luz mediante emisión estimulada. La luz de una longitud de onda específica que pasa a través del medio de ganancia se amplifica (aumenta la potencia). La retroalimentación permite que la emisión estimulada amplifique predominantemente la frecuencia óptica en el pico de la curva de ganancia-frecuencia. A medida que crece la emisión estimulada, eventualmente una frecuencia domina sobre todas las demás, lo que significa que se ha formado un haz coherente. El proceso de emisión estimulada es análogo al de un oscilador de audio con retroalimentación positiva que puede ocurrir, por ejemplo, cuando el altavoz en un sistema de megafonía se coloca cerca del micrófono. El chirrido que se escucha es una oscilación de audio en el pico de la curva de frecuencia de ganancia del amplificador.

Para que el medio de ganancia amplifique la luz, debe recibir energía en un proceso llamado bombeo. La energía normalmente se suministra como corriente eléctrica o como luz a una longitud de onda diferente. La luz de la bomba puede ser proporcionada por una lámpara de destellos o por otro láser.

El tipo más común de láser utiliza la retroalimentación de una cavidad óptica: un par de espejos en cada extremo del medio de ganancia. La luz rebota de un lado a otro entre los espejos, pasa a través del medio de ganancia y se amplifica cada vez. Normalmente, uno de los dos espejos, el acoplador de salida, es parcialmente transparente. Parte de la luz se escapa a través de este espejo. Según el diseño de la cavidad (si los espejos son planos o curvos), la luz que sale del láser puede dispersarse o formar un haz estrecho. En analogía con los osciladores electrónicos, este dispositivo a veces se denomina oscilador láser.

La mayoría de los láseres prácticos contienen elementos adicionales que afectan las propiedades de la luz emitida, como la polarización, la longitud de onda y la forma del haz.

Física láser

Los electrones y cómo interactúan con los campos electromagnéticos son importantes para nuestra comprensión de la química y la física.

Emision estimulada

En la visión clásica, la energía de un electrón que orbita alrededor de un núcleo atómico es mayor para las órbitas más alejadas del núcleo de un átomo. Sin embargo, los efectos de la mecánica cuántica fuerzan a los electrones a tomar posiciones discretas en los orbitales. Por lo tanto, los electrones se encuentran en niveles de energía específicos de un átomo, dos de los cuales se muestran a continuación:

Un electrón en un átomo puede absorber energía de la luz (fotones) o calor (fonones) solo si hay una transición entre los niveles de energía que coincida con la energía transportada por el fotón o el fonón. Para la luz, esto significa que cualquier transición dada solo absorberá una longitud de onda particular de luz. Los fotones con la longitud de onda correcta pueden hacer que un electrón salte del nivel de energía más bajo al más alto. El fotón se consume en este proceso.

Cuando un electrón se excita de un estado a otro en un nivel de energía más alto con una diferencia de energía ΔE, no permanecerá así para siempre. Eventualmente, un fotón se creará espontáneamente a partir del vacío con energía ΔE. Conservando energía, el electrón pasa a un nivel de energía más bajo que no está ocupado, con transiciones a diferentes niveles que tienen diferentes constantes de tiempo. Este proceso se denomina "emisión espontánea". La emisión espontánea es un efecto de la mecánica cuántica y una manifestación física directa del principio de incertidumbre de Heisenberg. El fotón emitido tiene una dirección aleatoria, pero su longitud de onda coincide con la longitud de onda de absorción de la transición. Este es el mecanismo de fluorescencia y emisión térmica.

Un fotón con la longitud de onda correcta para ser absorbido por una transición también puede hacer que un electrón caiga del nivel superior al inferior, emitiendo un nuevo fotón. El fotón emitido coincide exactamente con el fotón original en longitud de onda, fase y dirección. Este proceso se denomina emisión estimulada.

Ganancia media y cavidad

El medio de ganancia se pone en un estado excitado por una fuente externa de energía. En la mayoría de los láseres, este medio consiste en una población de átomos que han sido excitados a tal estado por medio de una fuente de luz exterior, o un campo eléctrico que suministra energía para que los átomos la absorban y se transformen en sus estados excitados.

El medio de ganancia de un láser es normalmente un material de pureza, tamaño, concentración y forma controlados, que amplifica el haz mediante el proceso de emisión estimulada descrito anteriormente. Este material puede estar en cualquier estado: gas, líquido, sólido o plasma. El medio de ganancia absorbe la energía de la bomba, lo que eleva algunos electrones a estados cuánticos de mayor energía ("excitados"). Las partículas pueden interactuar con la luz absorbiendo o emitiendo fotones. La emisión puede ser espontánea o estimulada. En este último caso, el fotón se emite en la misma dirección que la luz que pasa. Cuando el número de partículas en un estado excitado excede el número de partículas en algún estado de menor energía, se logra la inversión de población. En este estado, la tasa de emisión estimulada es mayor que la tasa de absorción de luz en el medio, y por lo tanto la luz se amplifica. Un sistema con esta propiedad se llama amplificador óptico. Cuando se coloca un amplificador óptico dentro de una cavidad óptica resonante, se obtiene un láser.

Para los medios láser con una ganancia extremadamente alta, la llamada superluminiscencia, es posible que la luz se amplifique lo suficiente en un solo paso a través del medio de ganancia sin necesidad de un resonador. Aunque a menudo se denomina láser (véase, por ejemplo, láser de nitrógeno), la salida de luz de un dispositivo de este tipo carece de la coherencia espacial y temporal que se puede lograr con los láseres. Dicho dispositivo no puede describirse como un oscilador sino como un amplificador óptico de alta ganancia que amplifica su propia emisión espontánea. El mismo mecanismo describe los llamados máseres/láseres astrofísicos.

El resonador óptico a veces se denomina "cavidad óptica", pero este es un nombre inapropiado: los láseres usan resonadores abiertos en lugar de la cavidad literal que se emplearía en frecuencias de microondas en un máser. El resonador generalmente consta de dos espejos entre los cuales viaja un haz de luz coherente en ambas direcciones, reflejándose sobre sí mismo, de modo que un fotón promedio pasará repetidamente a través del medio de ganancia antes de que se emita desde la apertura de salida o se pierda por difracción o absorción. Si la ganancia (amplificación) en el medio es mayor que las pérdidas del resonador, entonces la potencia de la luz recirculante puede aumentar exponencialmente. Pero cada evento de emisión estimulada devuelve un átomo de su estado excitado al estado fundamental, reduciendo la ganancia del medio. Al aumentar la potencia del haz, la ganancia neta (ganancia menos pérdida) se reduce a la unidad y se dice que el medio de ganancia está saturado. En un láser de onda continua (CW), el equilibrio de la potencia de bombeo frente a la saturación de ganancia y las pérdidas de la cavidad produce un valor de equilibrio de la potencia del láser dentro de la cavidad; este equilibrio determina el punto de funcionamiento del láser. Si la potencia de bombeo aplicada es demasiado pequeña, la ganancia nunca será suficiente para superar las pérdidas de la cavidad y no se producirá luz láser. La potencia de bombeo mínima necesaria para comenzar la acción del láser se denomina Si la potencia de bombeo aplicada es demasiado pequeña, la ganancia nunca será suficiente para superar las pérdidas de la cavidad y no se producirá luz láser. La potencia de bombeo mínima necesaria para comenzar la acción del láser se denomina Si la potencia de bombeo aplicada es demasiado pequeña, la ganancia nunca será suficiente para superar las pérdidas de la cavidad y no se producirá luz láser. La potencia de bombeo mínima necesaria para comenzar la acción del láser se denominaumbral de láser. El medio de ganancia amplificará cualquier fotón que lo atraviese, independientemente de la dirección; pero solo los fotones en un modo espacial soportado por el resonador pasarán más de una vez a través del medio y recibirán una amplificación sustancial.

La luz emitida

En la mayoría de los láseres, la acción láser comienza con la emisión espontánea en el modo láser. Esta luz inicial luego se amplifica por emisión estimulada en el medio de ganancia. La emisión estimulada produce luz que coincide con la señal de entrada en dirección, longitud de onda y polarización, mientras que la fase de la luz emitida está a 90 grados de la luz estimulante.Esto, combinado con el efecto de filtrado del resonador óptico, le da a la luz láser su coherencia característica y puede darle polarización y monocromaticidad uniformes, dependiendo del diseño del resonador. El ancho de línea fundamental del láser de la luz emitida por el resonador láser puede ser de varios órdenes de magnitud más estrecho que el ancho de línea de la luz emitida por el resonador pasivo. Algunos láseres usan una sembradora de inyección separada para iniciar el proceso con un haz que ya es altamente coherente. Esto puede producir haces con un espectro más estrecho de lo que sería posible de otro modo.

En 1963, Roy J. Glauber demostró que los estados coherentes se forman a partir de combinaciones de estados numéricos de fotones, por lo que recibió el Premio Nobel de física. Un haz de luz coherente está formado por estados de fotones cuánticos de frecuencia única distribuidos según una distribución de Poisson. Como resultado, la tasa de llegada de fotones en un rayo láser se describe mediante estadísticas de Poisson.

Muchos láseres producen un haz que puede aproximarse a un haz gaussiano; dichos haces tienen la mínima divergencia posible para un diámetro de haz dado. Algunos láseres, particularmente los de alta potencia, producen haces multimodo, con los modos transversales a menudo aproximados usando funciones de Hermite-Gaussian o Laguerre-Gaussian. Algunos láseres de alta potencia utilizan un perfil de parte superior plana conocido como "haz de sombrero de copa". Los resonadores láser inestables (que no se utilizan en la mayoría de los láseres) producen haces con forma de fractal. Los sistemas ópticos especializados pueden producir geometrías de haz más complejas, como haces de Bessel y vórtices ópticos.

Cerca de la "cintura" (o región focal) de un rayo láser, está altamente colimado: los frentes de onda son planos, normales a la dirección de propagación, sin divergencia del haz en ese punto. Sin embargo, debido a la difracción, eso solo puede seguir siendo cierto dentro del rango de Rayleigh. El haz de un láser de modo transversal único (haz gaussiano) eventualmente diverge en un ángulo que varía inversamente con el diámetro del haz, como requiere la teoría de la difracción. Por lo tanto, el "rayo de lápiz" generado directamente por un láser de helio-neón común se extendería a un tamaño de quizás 500 kilómetros cuando brillara en la Luna (desde la distancia de la tierra). Por otro lado, la luz de un láser semiconductor normalmente sale del diminuto cristal con una gran divergencia: hasta 50°. Sin embargo, incluso un haz tan divergente puede transformarse en un haz colimado de manera similar por medio de un sistema de lentes, como siempre se incluye, por ejemplo, en un puntero láser cuya luz se origina en un diodo láser. Eso es posible debido a que la luz es de un solo modo espacial. Esta propiedad única de la luz láser, la coherencia espacial, no se puede replicar utilizando fuentes de luz estándar (excepto descartando la mayor parte de la luz), como se puede apreciar al comparar el haz de una linterna (antorcha) o foco con el de casi cualquier láser.

Se utiliza un perfilador de rayos láser para medir el perfil de intensidad, el ancho y la divergencia de los rayos láser.

La reflexión difusa de un rayo láser desde una superficie mate produce un patrón moteado con propiedades interesantes.

Procesos de emisión cuánticos vs. clásicos

El mecanismo de producción de radiación en un láser se basa en la emisión estimulada, donde la energía se extrae de una transición en un átomo o molécula. Este es un fenómeno cuántico que fue predicho por Albert Einstein, quien derivó la relación entre el coeficiente A que describe la emisión espontánea y el coeficiente B que se aplica a la absorción y la emisión estimulada. Sin embargo, en el caso del láser de electrones libres, los niveles de energía atómica no están involucrados; parece que el funcionamiento de este dispositivo bastante exótico puede explicarse sin hacer referencia a la mecánica cuántica.

Modos de funcionamiento continuo y pulsado

Un láser se puede clasificar como operativo en modo continuo o pulsado, dependiendo de si la salida de potencia es esencialmente continua en el tiempo o si su salida toma la forma de pulsos de luz en una u otra escala de tiempo. Por supuesto, incluso un láser cuya salida normalmente es continua puede encenderse y apagarse intencionalmente a cierta velocidad para crear pulsos de luz. Cuando la tasa de modulación está en escalas de tiempo mucho más lentas que la vida útil de la cavidad y el período de tiempo durante el cual la energía se puede almacenar en el medio láser o el mecanismo de bombeo, todavía se clasifica como un láser de onda continua "modulado" o "pulsado". La mayoría de los diodos láser utilizados en los sistemas de comunicación entran en esa categoría.

Operación de onda continua

Algunas aplicaciones de los láseres dependen de un haz cuya potencia de salida es constante en el tiempo. Tal láser se conoce como de onda continua (CW) láser. Se pueden hacer muchos tipos de láseres para operar en modo de onda continua para satisfacer dicha aplicación. Muchos de estos láseres emiten en realidad en varios modos longitudinales al mismo tiempo, y los latidos entre las frecuencias ópticas ligeramente diferentes de esas oscilaciones producirán, de hecho, variaciones de amplitud en escalas de tiempo más cortas que el tiempo de ida y vuelta (el recíproco de la frecuencia espaciado entre modos), normalmente unos pocos nanosegundos o menos. En la mayoría de los casos, estos láseres todavía se denominan "de onda continua" ya que su potencia de salida es constante cuando se promedia durante períodos de tiempo más largos, y las variaciones de potencia de muy alta frecuencia tienen poco o ningún impacto en la aplicación prevista. (Sin embargo, el término no se aplica a los láseres de modo bloqueado, donde la intenciónes crear pulsos muy cortos a la velocidad del tiempo de ida y vuelta).

Para la operación de onda continua, se requiere que la inversión de población del medio de ganancia se reponga continuamente mediante una fuente de bombeo constante. En algunos medios láser, esto es imposible. En algunos otros láseres, sería necesario bombear el láser a un nivel de potencia continuo muy alto, lo que sería poco práctico o destruiría el láser al producir un calor excesivo. Dichos láseres no se pueden ejecutar en modo CW.

Operación pulsada

El funcionamiento pulsado de los láseres se refiere a cualquier láser que no esté clasificado como de onda continua, de modo que la potencia óptica aparece en pulsos de cierta duración a alguna tasa de repetición. Esto abarca una amplia gama de tecnologías que abordan una serie de motivaciones diferentes. Algunos láseres se pulsan simplemente porque no se pueden ejecutar en modo continuo.

En otros casos, la aplicación requiere la producción de pulsos que tengan la mayor energía posible. Dado que la energía del pulso es igual a la potencia promedio dividida por la tasa de repetición, este objetivo a veces se puede cumplir reduciendo la tasa de pulsos para que se pueda acumular más energía entre pulsos. En la ablación con láser, por ejemplo, un pequeño volumen de material en la superficie de una pieza de trabajo puede evaporarse si se calienta en muy poco tiempo, mientras que el suministro de energía gradualmente permitiría que el calor sea absorbido por la mayor parte de la pieza. pieza, nunca alcanzando una temperatura suficientemente alta en un punto particular.

Otras aplicaciones se basan en la potencia máxima del pulso (en lugar de la energía del pulso), especialmente para obtener efectos ópticos no lineales. Para una energía de pulso dada, esto requiere crear pulsos de la menor duración posible utilizando técnicas como la conmutación Q.

El ancho de banda óptico de un pulso no puede ser más estrecho que el recíproco del ancho del pulso. En el caso de pulsos extremadamente cortos, eso implica emitir un ancho de banda considerable, muy al contrario de los anchos de banda muy estrechos típicos de los láseres CW. El medio láser en algunos láseres de colorante y láseres vibrónicos de estado sólido produce una ganancia óptica en un amplio ancho de banda, lo que hace posible un láser que puede generar pulsos de luz tan cortos como unos pocos femtosegundos (10 s).

Q-conmutación

En un láser de conmutación Q, se permite que se acumule la inversión de población introduciendo una pérdida dentro del resonador que excede la ganancia del medio; esto también se puede describir como una reducción del factor de calidad o 'Q' de la cavidad. Luego, después de que la energía de bombeo almacenada en el medio láser se haya acercado al nivel máximo posible, el mecanismo de pérdida introducido (a menudo un elemento electroóptico o acústico) se elimina rápidamente (o eso ocurre por sí solo en un dispositivo pasivo), lo que permite la emisión de láser. para comenzar, que obtiene rápidamente la energía almacenada en el medio de ganancia. Esto da como resultado un pulso corto que incorpora esa energía y, por lo tanto, una potencia máxima alta.

Bloqueo de modo

Un láser de modo bloqueado es capaz de emitir pulsos extremadamente cortos del orden de decenas de picosegundos hasta menos de 10 femtosegundos. Estos pulsos se repiten en el tiempo de ida y vuelta, es decir, el tiempo que tarda la luz en completar un viaje de ida y vuelta entre los espejos que componen el resonador. Debido al límite de Fourier (también conocido como incertidumbre energía-tiempo), un pulso de una longitud temporal tan corta tiene un espectro que se extiende sobre un ancho de banda considerable. Por lo tanto, dicho medio de ganancia debe tener un ancho de banda de ganancia lo suficientemente amplio como para amplificar esas frecuencias. Un ejemplo de un material adecuado es el zafiro cultivado artificialmente y dopado con titanio (Ti:zafiro), que tiene un ancho de banda de ganancia muy amplio y, por lo tanto, puede producir pulsos de solo unos pocos femtosegundos de duración.

Dichos láseres de modo bloqueado son una herramienta muy versátil para investigar procesos que ocurren en escalas de tiempo extremadamente cortas (conocidas como física de femtosegundos, química de femtosegundos y ciencia ultrarrápida), para maximizar el efecto de la no linealidad en materiales ópticos (por ejemplo, en generación de segundo armónico, paramétrico conversión descendente, osciladores paramétricos ópticos y similares). A diferencia del pulso gigante de un láser de conmutación Q, los pulsos consecutivos de un láser de modo bloqueado son coherentes en fase, es decir, los pulsos (y no solo sus envolventes) son idénticos y perfectamente periódicos. Por esta razón, y por los picos de potencia extremadamente grandes alcanzados por pulsos tan cortos, estos láseres son invaluables en ciertas áreas de investigación.

Bombeo pulsado

Otro método para lograr el funcionamiento del láser pulsado es bombear el material del láser con una fuente que es a su vez pulsada, ya sea mediante carga electrónica en el caso de las lámparas de destello, u otro láser que ya está pulsado. Históricamente, el bombeo pulsado se usaba con láseres de colorante en los que la vida útil de la población invertida de una molécula de colorante era tan corta que se necesitaba un bombeo rápido y de alta energía. La forma de superar este problema era cargar grandes condensadores que luego se cambiaban para descargar a través de lámparas de destellos, produciendo un destello intenso. El bombeo pulsado también es necesario para los láseres de tres niveles en los que el nivel de energía más bajo rápidamente se vuelve muy poblado, lo que evita una mayor emisión de láser hasta que esos átomos se relajen hasta el estado fundamental. Estos láseres, como el láser excimer y el láser de vapor de cobre, nunca pueden funcionar en modo CW.

Historia

Cimientos

En 1917, Albert Einstein estableció los fundamentos teóricos para el láser y el máser en el artículo Zur Quantentheorie der Strahlung (Sobre la teoría cuántica de la radiación) a través de una nueva derivación de la ley de radiación de Max Planck, basada conceptualmente en coeficientes de probabilidad (coeficientes de Einstein) para la absorción, emisión espontánea y emisión estimulada de radiación electromagnética. En 1928, Rudolf W. Ladenburg confirmó la existencia de los fenómenos de emisión estimulada y absorción negativa. En 1939, Valentin A. Fabrikant predijo el uso de emisión estimulada para amplificar ondas "cortas". En 1947, Willis E. Lamb y RC Retherford encontraron una emisión estimulada aparente en espectros de hidrógeno y realizaron la primera demostración de emisión estimulada.En 1950, Alfred Kastler (Premio Nobel de Física 1966) propuso el método de bombeo óptico, que fue demostrado experimentalmente dos años más tarde por Brossel, Kastler y Winter.

Máser

En 1951, Joseph Weber presentó un documento sobre el uso de emisiones estimuladas para fabricar un amplificador de microondas en la Conferencia de investigación de tubos de vacío del Instituto de Ingenieros de Radio de junio de 1952 en Ottawa, Ontario, Canadá. Después de esta presentación, RCA le pidió a Weber que diera un seminario sobre esta idea y Charles Hard Townes le pidió una copia del artículo.

En 1953, Charles Hard Townes y los estudiantes graduados James P. Gordon y Herbert J. Zeiger produjeron el primer amplificador de microondas, un dispositivo que funciona con principios similares al láser, pero que amplifica la radiación de microondas en lugar de la radiación infrarroja o visible. El máser de Townes era incapaz de una salida continua.Mientras tanto, en la Unión Soviética, Nikolay Basov y Aleksandr Prokhorov trabajaban de forma independiente en el oscilador cuántico y resolvieron el problema de los sistemas de salida continua mediante el uso de más de dos niveles de energía. Estos medios de ganancia podrían liberar emisiones estimuladas entre un estado excitado y un estado excitado inferior, no el estado fundamental, facilitando el mantenimiento de una inversión de población. En 1955, Prokhorov y Basov sugirieron el bombeo óptico de un sistema multinivel como método para obtener la inversión de población, más tarde un método principal de bombeo láser.

Townes informa que varios físicos eminentes, entre ellos Niels Bohr, John von Neumann y Llewellyn Thomas, argumentaron que el máser violaba el principio de incertidumbre de Heisenberg y, por lo tanto, no podía funcionar. Otros, como Isidor Rabi y Polykarp Kusch, esperaban que no sería práctico y que no valdría la pena el esfuerzo. En 1964, Charles H. Townes, Nikolay Basov y Aleksandr Prokhorov compartieron el Premio Nobel de Física, "por su trabajo fundamental en el campo de la electrónica cuántica, que ha llevado a la construcción de osciladores y amplificadores basados ​​en el principio máser-láser".

Láser

En abril de 1957, el ingeniero japonés Jun-ichi Nishizawa propuso el concepto de un "máser óptico semiconductor" en una solicitud de patente.

Ese mismo año, Charles Hard Townes y Arthur Leonard Schawlow, entonces en Bell Labs, comenzaron un estudio serio de "masers ópticos" infrarrojos. A medida que se desarrollaron las ideas, abandonaron la radiación infrarroja para concentrarse en cambio en la luz visible. En 1958, Bell Labs presentó una solicitud de patente para su máser óptico propuesto; y Schawlow y Townes enviaron un manuscrito de sus cálculos teóricos a Physical Review, que se publicó en 1958.

Simultáneamente, en la Universidad de Columbia, el estudiante graduado Gordon Gould estaba trabajando en una tesis doctoral sobre los niveles de energía del talio excitado. Cuando Gould y Townes se encontraron, hablaron de la emisión de radiación como un tema general; luego, en noviembre de 1957, Gould señaló sus ideas para un "láser", incluido el uso de un resonador abierto (más tarde un componente esencial del dispositivo láser). Además, en 1958, Prokhorov propuso de forma independiente el uso de un resonador abierto, la primera aparición publicada de esta idea. Mientras tanto, Schawlow y Townes se habían decidido por un diseño de láser de resonador abierto, aparentemente sin conocer las publicaciones de Prokhorov y el trabajo láser inédito de Gould.

En una conferencia en 1959, Gordon Gould publicó por primera vez el acrónimo "LASER" en el artículo The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. La intención de Gould era que se usaran diferentes siglas "-ASER" para diferentes partes del espectro: "XASER" para rayos X, "UVASER" para ultravioleta, etc. "LASER" terminó convirtiéndose en el término genérico para dispositivos que no son de microondas., aunque "RASER" fue brevemente popular para denotar dispositivos emisores de radiofrecuencia.

Las notas de Gould incluían posibles aplicaciones para un láser, como espectrometría, interferometría, radar y fusión nuclear. Continuó desarrollando la idea y presentó una solicitud de patente en abril de 1959. La Oficina de Patentes de EE. UU. rechazó su solicitud y otorgó una patente a Bell Labs en 1960. Eso provocó una demanda de veintiocho años, con prestigio científico y dinero como las apuestas. Gould ganó su primera patente menor en 1977, pero no fue hasta 1987 que obtuvo la primera victoria importante en una demanda de patentes, cuando un juez federal ordenó a la Oficina de Patentes de EE. UU. que otorgara patentes a Gould para los dispositivos láser de descarga de gas y de bombeo óptico. La cuestión de cómo asignar el crédito por la invención del láser sigue sin ser resuelta por los historiadores.

El 16 de mayo de 1960, Theodore H. Maiman operó el primer láser en funcionamiento en Hughes Research Laboratories, Malibu, California, por delante de varios equipos de investigación, incluidos los de Townes, en la Universidad de Columbia, Arthur Schawlow, en Bell Labs,y Gould, en la empresa TRG (Technical Research Group). El láser funcional de Maiman utilizó un cristal de rubí sintético bombeado por una lámpara de destellos para producir luz láser roja a una longitud de onda de 694 nanómetros. El dispositivo solo era capaz de funcionar por impulsos, debido a su esquema de diseño de bombeo de tres niveles. Más tarde ese año, el físico iraní Ali Javan, William R. Bennett y Donald Herriott construyeron el primer láser de gas, usando helio y neón que era capaz de operar continuamente en el infrarrojo (Patente de EE. UU. 3,149,290); más tarde, Javan recibió el Premio Mundial de Ciencias Albert Einstein en 1993. Basov y Javan propusieron el concepto de diodo láser semiconductor. En 1962, Robert N. Hall demostró el primer diodo láserdispositivo, que estaba hecho de arseniuro de galio y emitido en la banda del infrarrojo cercano del espectro a 850 nm. Más tarde ese año, Nick Holonyak, Jr. demostró el primer láser semiconductor con una emisión visible. Este primer láser semiconductor solo podía usarse en operación de haz pulsado y cuando se enfriaba a temperaturas de nitrógeno líquido (77 K). En 1970, Zhores Alferov, en la URSS, e Izuo Hayashi y Morton Panish de Bell Telephone Laboratories también desarrollaron de forma independiente láseres de diodo de operación continua a temperatura ambiente, utilizando la estructura de heterounión.

Innovaciones recientes

Desde el período inicial de la historia del láser, la investigación del láser ha producido una variedad de tipos de láser mejorados y especializados, optimizados para diferentes objetivos de rendimiento, que incluyen:

• nuevas bandas de longitud de onda
• potencia de salida media máxima
• energía de pulso pico máxima
• potencia de pulso pico máxima
• duración mínima del pulso de salida
• ancho de línea mínimo
• máxima eficiencia energética
• costo mínimo

y esta investigación continúa hasta el día de hoy.

En 2015, los investigadores fabricaron un láser blanco, cuya luz es modulada por una nanolámina sintética hecha de zinc, cadmio, azufre y selenio que puede emitir luz roja, verde y azul en proporciones variables, con cada longitud de onda que abarca 191 nm.

En 2017, los investigadores de TU Delft demostraron un láser de microondas de unión AC Josephson. Dado que el láser opera en régimen superconductor, es más estable que otros láseres basados ​​en semiconductores. El dispositivo tiene potencial para aplicaciones en computación cuántica. En 2017, los investigadores de TU Munich demostraron el láser de bloqueo de modo más pequeño capaz de emitir pares de pulsos láser de picosegundos bloqueados en fase con una frecuencia de repetición de hasta 200 GHz.

En 2017, investigadores del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), junto con investigadores estadounidenses de JILA, un instituto conjunto del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder, establecieron un nuevo récord mundial al desarrollar un láser de fibra dopada con erbio con un ancho de línea de solo 10 milihercios.

Tipos y principios de funcionamiento

Láseres de gas

Tras la invención del láser de gas HeNe, se ha descubierto que muchas otras descargas de gas amplifican la luz de manera coherente. Los láseres de gas que utilizan muchos gases diferentes se han construido y utilizado para muchos propósitos. El láser de helio-neón (HeNe) puede operar en varias longitudes de onda diferentes, sin embargo, la gran mayoría está diseñada para láser a 633 nm; estos láseres de costo relativamente bajo pero altamente coherentes son extremadamente comunes en laboratorios educativos y de investigación óptica. Los láseres comerciales de dióxido de carbono (CO ₂) pueden emitir muchos cientos de vatios en un solo modo espacial que puede concentrarse en un punto diminuto. Esta emisión está en el infrarrojo térmico a 10,6 µm; tales láseres se usan regularmente en la industria para cortar y soldar. La eficiencia de un láser de CO _{2 es inusualmente alta: más del 30%.}Los láseres de iones de argón pueden operar en una serie de transiciones de láser entre 351 y 528,7 nm. Dependiendo del diseño óptico, una o más de estas transiciones pueden ser láser simultáneamente; las líneas más utilizadas son 458 nm, 488 nm y 514,5 nm. Un láser de descarga eléctrica transversal de nitrógeno en gas a presión atmosférica (TEA) es un láser de gas económico, a menudo construido en casa por aficionados, que produce luz ultravioleta bastante incoherente a 337,1 nm. Los láseres de iones metálicos son láseres de gas que generan longitudes de onda ultravioleta profunda. Helio-plata (HeAg) 224 nm y neón-cobre (NeCu) 248 nm son dos ejemplos. Como todos los láseres de gas de baja presión, los medios de ganancia de estos láseres tienen anchos de línea de oscilación bastante estrechos, menos de 3 GHz (0,5 picómetros), lo que los convierte en candidatos para su uso en espectroscopia Raman con supresión de fluorescencia.

El láser sin mantener el medio excitado en una inversión de población se demostró en 1992 en gas de sodio y nuevamente en 1995 en gas de rubidio por varios equipos internacionales. Esto se logró utilizando un máser externo para inducir "transparencia óptica" en el medio introduciendo e interfiriendo destructivamente las transiciones de electrones de tierra entre dos caminos, de modo que se canceló la probabilidad de que los electrones de tierra absorbieran cualquier energía.

Láseres químicos

Los láseres químicos son alimentados por una reacción química que permite liberar rápidamente una gran cantidad de energía. Dichos láseres de muy alta potencia son especialmente de interés para los militares; sin embargo, se han desarrollado láseres químicos de onda continua a niveles de potencia muy altos, alimentados por corrientes de gases, y tienen algunas aplicaciones industriales. Como ejemplos, en el láser de fluoruro de hidrógeno (2700-2900 nm) y el láser de fluoruro de deuterio (3800 nm) la reacción es la combinación de gas hidrógeno o deuterio con productos de combustión de etileno en trifluoruro de nitrógeno.

Láseres excímeros

Los láseres excimer son un tipo especial de láser de gas alimentado por una descarga eléctrica en el que el medio láser es un excimer o, más precisamente, un exciplex en los diseños existentes. Estas son moléculas que solo pueden existir con un átomo en un estado electrónico excitado. Una vez que la molécula transfiere su energía de excitación a un fotón, sus átomos ya no están unidos entre sí y la molécula se desintegra. Esto reduce drásticamente la población del estado de menor energía, lo que facilita en gran medida una inversión de población. Los excímeros utilizados actualmente son todos compuestos de gases nobles; Los gases nobles son químicamente inertes y solo pueden formar compuestos en estado excitado. Los láseres excímeros suelen operar en longitudes de onda ultravioleta con aplicaciones importantes que incluyen fotolitografía de semiconductores y cirugía ocular LASIK. El láser de flúor molecular, que emite a 157 nm en el ultravioleta de vacío, a veces se denomina láser excimer, sin embargo, este parece ser un nombre inapropiado ya que F ₂ es un compuesto estable.

Láseres de estado sólido

Los láseres de estado sólido utilizan una barra cristalina o de vidrio que está "dopada" con iones que proporcionan los estados de energía necesarios. Por ejemplo, el primer láser que funcionó fue un láser de rubí, hecho de rubí (corindón dopado con cromo). La inversión de población se mantiene realmente en el dopante. Estos materiales se bombean ópticamente utilizando una longitud de onda más corta que la longitud de onda del láser, a menudo desde un tubo de destellos o desde otro láser. El uso del término "estado sólido" en física láser es más limitado que en el uso típico. Los láseres semiconductores (diodos láser) normalmente no se conocen como láseres de estado sólido.

El neodimio es un dopante común en varios cristales láser de estado sólido, incluido el ortovanadato de itrio (Nd:YVO ₄), el fluoruro de litio e itrio (Nd:YLF) y el granate de aluminio e itrio (Nd:YAG). Todos estos láseres pueden producir altas potencias en el espectro infrarrojo a 1064 nm. Se utilizan para corte, soldadura y marcado de metales y otros materiales, y también en espectroscopia y para el bombeo de láseres de colorante. Estos láseres también suelen duplicar, triplicar o cuadruplicar la frecuencia para producir haces de 532 nm (verde, visible), 355 nm y 266 nm (UV), respectivamente. Los láseres de estado sólido bombeados por diodos de frecuencia duplicada (DPSS) se utilizan para fabricar punteros láser de color verde brillante.

El iterbio, el holmio, el tulio y el erbio son otros "dopantes" comunes en los láseres de estado sólido. El iterbio se usa en cristales como Yb:YAG, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:SYS, Yb:BOYS, Yb:CaF ₂, que normalmente operan entre 1020 y 1050 nm. Son potencialmente muy eficientes y de alta potencia debido a un pequeño defecto cuántico. Se pueden lograr potencias extremadamente altas en pulsos ultracortos con Yb:YAG. Los cristales de YAG dopados con holmio emiten a 2097 nm y forman un láser eficiente que opera en longitudes de onda infrarrojas fuertemente absorbidas por los tejidos que contienen agua. El Ho-YAG generalmente se opera en modo pulsado y se pasa a través de dispositivos quirúrgicos de fibra óptica para renovar las articulaciones, eliminar la podredumbre de los dientes, vaporizar cánceres y pulverizar cálculos renales y biliares.

El zafiro dopado con titanio (Ti:zafiro) produce un láser infrarrojo altamente sintonizable, comúnmente utilizado para espectroscopia. También se destaca por su uso como un láser de modo bloqueado que produce pulsos ultracortos de potencia máxima extremadamente alta.

Las limitaciones térmicas en los láseres de estado sólido surgen de la potencia de bombeo no convertida que calienta el medio. Este calor, cuando se combina con un alto coeficiente termo-óptico (d n / d T) puede causar lentes térmicos y reducir la eficiencia cuántica. Los láseres de disco delgado bombeados por diodos superan estos problemas al tener un medio de ganancia que es mucho más delgado que el diámetro del haz de bombeo. Esto permite una temperatura más uniforme en el material. Se ha demostrado que los láseres de disco delgado producen haces de hasta un kilovatio.

Láseres de fibra

Los láseres de estado sólido o los amplificadores láser en los que la luz se guía debido a la reflexión interna total en una fibra óptica monomodo se denominan láseres de fibra. La guía de la luz permite regiones de ganancia extremadamente largas que brindan buenas condiciones de enfriamiento; Las fibras tienen una alta relación área superficial/volumen que permite un enfriamiento eficiente. Además, las propiedades de guía de ondas de la fibra tienden a reducir la distorsión térmica del haz. Los iones de erbio e iterbio son especies activas comunes en dichos láseres.

Muy a menudo, el láser de fibra está diseñado como una fibra de doble revestimiento. Este tipo de fibra consta de un núcleo de fibra, un revestimiento interior y un revestimiento exterior. El índice de las tres capas concéntricas se elige de modo que el núcleo de la fibra actúe como una fibra monomodo para la emisión del láser, mientras que el revestimiento exterior actúa como un núcleo altamente multimodo para el láser de bombeo. Esto permite que la bomba propague una gran cantidad de energía hacia y a través de la región del núcleo interno activo, al mismo tiempo que tiene una apertura numérica alta (NA) para tener condiciones de lanzamiento fáciles.

La luz de bombeo se puede usar de manera más eficiente creando un láser de disco de fibra o una pila de tales láseres.

Los láseres de fibra tienen un límite fundamental en el sentido de que la intensidad de la luz en la fibra no puede ser tan alta que las no linealidades ópticas inducidas por la intensidad del campo eléctrico local puedan volverse dominantes e impedir el funcionamiento del láser y/o conducir a la destrucción material de la fibra. Este efecto se llama fotooscurecimiento. En materiales láser a granel, el enfriamiento no es tan eficiente y es difícil separar los efectos del fotooscurecimiento de los efectos térmicos, pero los experimentos en fibras muestran que el fotooscurecimiento se puede atribuir a la formación de centros de color de larga duración.

Láseres de cristal fotónico

Los láseres de cristal fotónico son láseres basados ​​en nanoestructuras que proporcionan el confinamiento de modo y la estructura de densidad de estados ópticos (DOS) necesarios para que se produzca la retroalimentación. Son típicos del tamaño de un micrómetro y sintonizables en las bandas de los cristales fotónicos.

Láseres semiconductores

Los láseres semiconductores son diodos que se bombean eléctricamente. La recombinación de electrones y huecos creados por la corriente aplicada introduce ganancia óptica. La reflexión de los extremos del cristal forma un resonador óptico, aunque el resonador puede ser externo al semiconductor en algunos diseños.

Los diodos láser comerciales emiten en longitudes de onda de 375 nm a 3500 nm. Los diodos láser de baja a media potencia se utilizan en punteros láser, impresoras láser y reproductores de CD/DVD. Los diodos láser también se utilizan con frecuencia para bombear ópticamente otros láseres con alta eficiencia. Los diodos láser industriales de mayor potencia, con potencias de hasta 20 kW, se utilizan en la industria para corte y soldadura. Los láseres semiconductores de cavidad externa tienen un medio semiconductor activo en una cavidad más grande. Estos dispositivos pueden generar salidas de alta potencia con buena calidad de haz, radiación de ancho de línea estrecho ajustable en longitud de onda o pulsos láser ultracortos.

En 2012, Nichia y OSRAM desarrollaron y fabricaron diodos láser verdes comerciales de alta potencia (515/520 nm), que compiten con los láseres de estado sólido bombeados por diodos tradicionales.

Los láseres emisores de superficie de cavidad vertical (VCSEL) son láseres semiconductores cuya dirección de emisión es perpendicular a la superficie de la oblea. Los dispositivos VCSEL suelen tener un haz de salida más circular que los diodos láser convencionales. A partir de 2005, solo los VCSEL de 850 nm están ampliamente disponibles, los VCSEL de 1300 nm comienzan a comercializarse y los dispositivos de 1550 nm son un área de investigación. Los VECSEL son VCSEL de cavidad externa. Los láseres de cascada cuántica son láseres semiconductores que tienen una transición activa entre las subbandas de energía de un electrón en una estructura que contiene varios pozos cuánticos.

El desarrollo de un láser de silicio es importante en el campo de la computación óptica. El silicio es el material elegido para los circuitos integrados, por lo que los componentes electrónicos y fotónicos de silicio (como las interconexiones ópticas) podrían fabricarse en el mismo chip. Desafortunadamente, el silicio es un material de láser difícil de manejar, ya que tiene ciertas propiedades que bloquean el láser. Sin embargo, recientemente los equipos han producido láseres de silicio a través de métodos como la fabricación del material láser a partir de silicio y otros materiales semiconductores, como el fosfuro de indio (III) o el arseniuro de galio (III), materiales que permiten producir luz coherente a partir del silicio. Estos se llaman láser híbrido de silicio. Los desarrollos recientes también han demostrado el uso de láseres de nanocables monolíticamente integrados directamente en el silicio para interconexiones ópticas.Estos láseres de nanocables de heteroestructura capaces de interconexiones ópticas en silicio también son capaces de emitir pares de pulsos de picosegundos bloqueados en fase con una frecuencia de repetición de hasta 200 GHz, lo que permite el procesamiento de señales ópticas en el chip. Otro tipo es un láser Raman, que aprovecha la dispersión Raman para producir un láser a partir de materiales como el silicio.

Láseres de colorante

Los láseres de colorante utilizan un colorante orgánico como medio de ganancia. El amplio espectro de ganancia de los tintes disponibles, o mezclas de tintes, permite que estos láseres sean altamente sintonizables o que produzcan pulsos de muy corta duración (del orden de unos pocos femtosegundos). Aunque estos láseres sintonizables se conocen principalmente en su forma líquida, los investigadores también han demostrado emisión sintonizable de ancho de línea estrecho en configuraciones de osciladores dispersivos que incorporan medios de ganancia de colorante de estado sólido. En su forma más frecuente, estos láseres de colorante de estado sólido utilizan polímeros dopados con colorante como medio láser.

Láseres de electrones libres

Los láseres de electrones libres, o FEL, generan una radiación coherente de alta potencia que se puede sintonizar ampliamente y que actualmente varía en longitudes de onda desde las microondas hasta la radiación de terahercios y el infrarrojo hasta el espectro visible y los rayos X suaves. Tienen el rango de frecuencia más amplio de cualquier tipo de láser. Si bien los haces FEL comparten las mismas características ópticas que otros láseres, como la radiación coherente, el funcionamiento de FEL es bastante diferente. A diferencia de los láseres de gas, líquido o estado sólido, que se basan en estados atómicos o moleculares ligados, los FEL utilizan un haz de electrones relativista como medio láser, de ahí el término de electrones libres.

Medios exóticos

La búsqueda de un láser de alta energía cuántica que utilice transiciones entre estados isoméricos de un núcleo atómico ha sido objeto de una amplia investigación académica desde principios de la década de 1970. Gran parte de esto se resume en tres artículos de revisión. Esta investigación ha sido de alcance internacional, pero principalmente basada en la antigua Unión Soviética y los Estados Unidos. Si bien muchos científicos siguen siendo optimistas de que se acerca un gran avance, aún no se ha realizado un láser de rayos gamma operativo.

Algunos de los primeros estudios se dirigieron hacia pulsos cortos de neutrones que excitaban el estado de isómero superior en un sólido para que la transición de rayos gamma pudiera beneficiarse del estrechamiento de la línea del efecto Mössbauer. En conjunto, se esperaban varias ventajas del bombeo en dos etapas de un sistema de tres niveles. Se conjeturó que el núcleo de un átomo, incrustado en el campo cercano de una nube de electrones de oscilación coherente impulsada por láser, experimentaría un campo dipolar más grande que el del láser impulsor. Además, la no linealidad de la nube oscilante produciría armónicos tanto espaciales como temporales, por lo que las transiciones nucleares de mayor multipolaridad también podrían generarse en múltiplos de la frecuencia del láser.

En septiembre de 2007, BBC News informó que se especulaba sobre la posibilidad de utilizar la aniquilación de positronio para impulsar un láser de rayos gamma muy potente. El Dr. David Cassidy de la Universidad de California, Riverside, propuso que un solo láser de este tipo podría usarse para iniciar una reacción de fusión nuclear, reemplazando los bancos de cientos de láseres actualmente empleados en experimentos de fusión por confinamiento inercial.

Los láseres de rayos X basados ​​en el espacio bombeados por una explosión nuclear también se han propuesto como armas antimisiles. Dichos dispositivos serían armas de un solo disparo.

Se han utilizado células vivas para producir luz láser. Las células fueron modificadas genéticamente para producir proteína fluorescente verde, que sirvió como medio de ganancia del láser. Luego, las células se colocaron entre dos espejos de 20 micrómetros de ancho, que actuaron como la cavidad del láser. Cuando la celda se iluminó con luz azul, emitió una luz láser verde intensa y dirigida.

Láseres naturales

Al igual que los másers astrofísicos, los gases estelares o planetarios irradiados pueden amplificar la luz produciendo un láser natural. Marte, Venus y MWC 349 exhiben este fenómeno.

Usos

Cuando se inventaron los láseres en 1960, se los llamó "una solución que busca un problema". Desde entonces, se han vuelto ubicuos y encuentran utilidad en miles de aplicaciones muy variadas en todos los sectores de la sociedad moderna, incluida la electrónica de consumo, la tecnología de la información, la ciencia, la medicina, la industria, las fuerzas del orden, el entretenimiento y el ejército. La comunicación por fibra óptica mediante láser es una tecnología clave en las comunicaciones modernas, que permite servicios como Internet.

El primer uso ampliamente perceptible de los láseres fue el escáner de códigos de barras de los supermercados, presentado en 1974. El reproductor de discos láser, presentado en 1978, fue el primer producto de consumo exitoso en incluir un láser, pero el reproductor de discos compactos fue el primer dispositivo equipado con láser que se volvió común., a partir de 1982 seguido poco después por las impresoras láser.

Algunos otros usos son:

• Comunicaciones: además de la comunicación por fibra óptica, los láseres se utilizan para la comunicación óptica en el espacio libre, incluida la comunicación por láser en el espacio.
• Medicina: ver más abajo.
• Industria: corte, incluida la conversión de materiales finos, soldadura, tratamiento térmico de materiales, marcado de piezas (grabado y unión), fabricación aditiva o procesos de impresión 3D como sinterización selectiva por láser y fusión selectiva por láser, medición sin contacto de piezas y escaneo 3D, y láser limpieza.
• Militar: marcado de objetivos, guía de municiones, defensa antimisiles, contramedidas electro-ópticas (EOCM), lidar, cegamiento de tropas, mira de armas de fuego. Vea abajo
• Cumplimiento de la ley: Cumplimiento de tráfico LIDAR. Los láseres se utilizan para la detección de huellas dactilares latentes en el campo de la identificación forense
• Investigación: espectroscopia, ablación láser, recocido láser, dispersión láser, interferometría láser, lidar, microdisección de captura láser, microscopía de fluorescencia, metrología, enfriamiento láser.
• Productos comerciales: impresoras láser, escáneres de códigos de barras, termómetros, punteros láser, hologramas, bubblegrams.
• Entretenimiento: discos ópticos, pantallas de iluminación láser, tocadiscos láser

En 2004, excluyendo los láseres de diodo, se vendieron aproximadamente 131.000 láseres por un valor de 2.190 millones de dólares estadounidenses. En el mismo año, se vendieron aproximadamente 733 millones de láseres de diodo, valorados en 3200 millones de dólares.

En medicina

Los láseres tienen muchos usos en la medicina, incluida la cirugía láser (en particular, la cirugía ocular), la curación con láser (terapia de fotobiomodulación), el tratamiento de cálculos renales, la oftalmoscopia y los tratamientos cosméticos de la piel, como el tratamiento del acné, la reducción de la celulitis y las estrías, y la depilación.

Los láseres se usan para tratar el cáncer al reducir o destruir tumores o crecimientos precancerosos. Se usan más comúnmente para tratar cánceres superficiales que se encuentran en la superficie del cuerpo o en el revestimiento de los órganos internos. Se utilizan para tratar el cáncer de piel de células basales y las etapas muy tempranas de otros como el cáncer de cuello uterino, de pene, vaginal, de vulva y de pulmón de células no pequeñas. La terapia con láser a menudo se combina con otros tratamientos, como cirugía, quimioterapia o radioterapia. La termoterapia intersticial inducida por láser (LITT, por sus siglas en inglés), o fotocoagulación láser intersticial, usa láser para tratar algunos tipos de cáncer usando hipertermia, que usa calor para reducir los tumores al dañar o matar las células cancerosas. Los láseres son más precisos que los métodos quirúrgicos tradicionales y causan menos daño, dolor, sangrado, hinchazón y cicatrización.

Como armas

Un arma láser es un láser que se utiliza como arma de energía dirigida.

Aficiones

En los últimos años, algunos aficionados se han interesado por los láseres. Los láseres utilizados por los aficionados son generalmente de clase IIIa o IIIb (consulte Seguridad), aunque algunos han fabricado sus propios tipos de clase IV. Sin embargo, en comparación con otros aficionados, los aficionados al láser son mucho menos comunes debido al costo y los peligros potenciales involucrados. Debido al costo de los láseres, algunos aficionados utilizan medios económicos para obtenerlos, como recuperar diodos láser de reproductores de DVD rotos (rojo), reproductores de Blu-ray (violeta) o incluso diodos láser de mayor potencia de grabadoras de CD o DVD.

Los aficionados también han usado láseres excedentes tomados de aplicaciones militares retiradas y los han modificado para holografía. Los láseres de rubí pulsado y YAG funcionan bien para esta aplicación.

Ejemplos por potencia

Diferentes aplicaciones necesitan láseres con diferentes potencias de salida. Los láseres que producen un haz continuo o una serie de pulsos cortos se pueden comparar en función de su potencia promedio. Los láseres que producen pulsos también se pueden caracterizar en función de la potencia máxima de cada pulso. La potencia máxima de un láser pulsado es muchos órdenes de magnitud mayor que su potencia media. La potencia de salida promedio siempre es menor que la potencia consumida.

Energía	Usar
1–5 mW	Punteros láser
5 mW	Lector de CD ROM
5–10 mW	Reproductor de DVD o unidad de DVD-ROM
100 mW	Grabadora de CD-RW de alta velocidad
250 mW	Grabadora de DVD-R 16× de consumo
400 mW	Grabación DVD 24× de doble capa
1W	Desarrollo de prototipo de láser verde en disco versátil holográfico
1–20 W	Salida de la mayoría de los láseres de estado sólido disponibles comercialmente utilizados para micromecanizado
30–100 W	Láseres quirúrgicos de CO2 sellados típicos
100–3000 W	Láseres de CO 2 sellados típicos utilizados en el corte por láser industrial

Ejemplos de sistemas pulsados ​​con alta potencia de pico:

• 700 TW (700 × 10 W): instalación nacional de encendido, un sistema láser de 1,8 megajulios y 192 haces junto a una cámara objetivo de 10 metros de diámetro
• 10 PW (10 × 10 W): el láser más potente del mundo a partir de 2019, ubicado en las instalaciones de ELI-NP en Măgurele, Rumania.

La seguridad

Incluso el primer láser fue reconocido como potencialmente peligroso. Theodore Maiman caracterizó el primer láser por tener el poder de una "Gillette", ya que podía quemar a través de una cuchilla de afeitar Gillette. Hoy en día, se acepta que incluso los láseres de baja potencia con solo unos pocos milivatios de potencia de salida pueden ser peligrosos para la vista humana cuando el rayo golpea el ojo directamente o después de reflejarse en una superficie brillante. En longitudes de onda en las que la córnea y el cristalino pueden enfocar bien, la coherencia y la baja divergencia de la luz láser significa que el ojo puede enfocarla en un punto extremadamente pequeño de la retina, lo que provoca quemaduras localizadas y daños permanentes en segundos o incluso menos. tiempo.

Los láseres suelen estar etiquetados con un número de clase de seguridad, que identifica qué tan peligroso es el láser:

• La clase 1 es intrínsecamente segura, generalmente porque la luz está contenida en un recinto, por ejemplo, en reproductores de CD.
• La clase 2 es segura durante el uso normal; el reflejo de parpadeo del ojo evitará daños. Por lo general, hasta 1 mW de potencia, por ejemplo, punteros láser.
• Los láseres de clase 3R (anteriormente IIIa) suelen ser de hasta 5 mW e implican un pequeño riesgo de daño ocular en el momento del reflejo de parpadeo. Es probable que mirar un haz de este tipo durante varios segundos dañe una mancha en la retina.
• Los láseres de clase 3B (5–499 mW) pueden causar daño ocular inmediato tras la exposición.
• Los láseres de clase 4 (≥ 500 mW) pueden quemar la piel y, en algunos casos, incluso la luz dispersa de estos láseres puede causar daños en los ojos o la piel. Muchos láseres industriales y científicos pertenecen a esta clase.

Las potencias indicadas son para láseres de onda continua de luz visible. Para láseres pulsados ​​y longitudes de onda invisibles, se aplican otros límites de potencia. Las personas que trabajan con láseres de clase 3B y clase 4 pueden proteger sus ojos con gafas de seguridad que están diseñadas para absorber la luz de una determinada longitud de onda.

Los láseres infrarrojos con longitudes de onda superiores a aproximadamente 1,4 micrómetros a menudo se denominan "seguros para los ojos", porque la córnea tiende a absorber la luz en estas longitudes de onda, protegiendo la retina del daño. Sin embargo, la etiqueta "seguro para los ojos" puede ser engañosa, ya que se aplica solo a haces de onda continua de potencia relativamente baja; un láser de alta potencia o de conmutación Q en estas longitudes de onda puede quemar la córnea y causar daños oculares graves, e incluso los láseres de potencia moderada pueden dañar el ojo.

Los láseres pueden ser un peligro tanto para la aviación civil como para la militar, debido al potencial de distraer temporalmente o cegar a los pilotos. Consulte Láseres y seguridad en la aviación para obtener más información sobre este tema.

Las cámaras basadas en dispositivos de carga acoplada en realidad pueden ser más sensibles al daño por láser que los ojos biológicos.