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LÁSER Y MÁSER 687
rante un mínimo de tiempo. Estos, antes de salir por el espejo semitransparente se han reflejado al-
gunas 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 y E . Un separador (Fig. XXVIII-26)
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que produce un campo eléctrico no homogéneo proyecta las moléculas de mayor energía, E ,
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dentro de una cavidad resonante, después de separarlas de las de energía menor, E . Una vez en
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la cavidad una microonda de frecuencia n =(E E )/h provoca la emisión estimulada. En el má-
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ser de amoníaco no se produce realmente una inversión de población entre dos niveles, sino que
se aprovechan las moléculas ya excitadas.
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 exci- amoníaco el nitrógeno vibra respecto
tado mediante irradiación con luz de la frecuencia adecuada. La finalidad del bombeo es la de del plano de los tres hidrógenos.
producir una inversión de población, para lo cual han de participar al menos tres niveles energéti-
MUESTRA PARA EXAMEN. PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN. COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR
cos (láser de tres niveles), el fundamental y dos excitados, uno de los cuales
debe ser metaestable. En un ESTADO METAESTABLE los electrones excitados per-
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manecen del orden de 10 veces más tiempo que en un estado excitado ordina-
rio, en el que lo hacen durante aproximadamente 10 8 segundos. Las energías
de los tres niveles son E , E y E en las Fig. XXVIII-27 y 28.
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La luz incidente bombea electrones del estado E al E , y de existir solamen-
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te ellos dos el bombeo sería equilibrado por la emisión estimulada E ® E ,
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con lo que no habría amplificación. La presencia del estado E permite la crea-
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ción de la inversión de población. Si el estado metaestable es E (Fig. XXVIII-
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27), los electrones que realizan la transición E ® E vuelven rápidamente de
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éste al estado fundamental, con lo que se produce una inversión entre E y E 2 Fig. XXVIII-26. Máser de amoníaco. Las moléculas de
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que permite la radiación láser con la frecuencia n =(E E )/h. De la misma energía E , mayor que E , penetran en la cavidad, en la
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forma, si el estado metaestable es E (Fig. XXVIII-28), la transición espontánea que estimuladamente pasan al estado E emitiendo un
fotón de microondas.
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rápida E ® E proporciona la inversión entre E y E , con la consiguiente ra-
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diación láser de frecuencia n =(E E )/h.
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En un LÁSER DE CUATRO NIVELES, representados en la Fig. XXVIII-29, el estado metaestable es el
E y las transiciones espontáneas son E ® E y E ® E . Al bombear los electrones de E a E 4
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éstos caen rápidamente a E ; los que saltan a E vuelven rápidamente al estado fundamental E .
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Se produce una inversión de población entre E y E que permite la amplificación láser de fre-
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cuencia n =(E E )/h.
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XXVIII 23. Láseres de rubí y de helio-neón
En el primero el material láser es una barra de rubí, óxido de aluminio Al O con un pequeño
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porcentaje de átomos de aluminio sustituidos por cromo. Este, cuyos niveles de energía se repre-
sentan en la Fig. XXVIII-30, es el responsable de la amplificación láser. El bombeo se produce me-
diante una lámpara de mercurio, para una longitud de onda de 550 nm, lo que equivale a los Fig. XXVIII-27. El estado metaesta-
2,2 eV del salto energético entre E y E . Como se muestra en la Fig. XXVIII-31, un espejo cilíndri- ble es E . La inversión de población
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co de sección elíptica concentra la luz de la lámpara en la barra de rubí. El estado metaestable es se da entre E y E . n =frecuencia
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el E , con lo que se produce radiación espontánea en el salto de E a E y radiación láser en el sal- del fotón de bombeo; n =frecuencia
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to estimulado E ® E con una longitud de onda de 694,3 nm. Los fotones de la radiación es- del fotón emitido espontáneamente;
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pontánea 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 des-
carga a una presión del orden de 10 3 atm. El bombeo de electrones no es óptico sino que se pro-
duce 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 metaestable (Fig. XXVIII-32)
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20,61 eV más energético que el fundamental.
El neón presenta dos estados excitados próximos a E , uno E¢a 20,66 eV de su estado funda-
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mental y otro E¢ a 18,70 eV. Un átomo de helio excitado y con una pequeña energía cinética, de
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0,05 eV como mínimo, puede colisionar con un átomo de neón con energía E¢y excitarlo hasta
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E¢ , quedando el helio en su nivel fundamental. Puesto que E es un estado metaestable del helio y
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la energía se transfiere al neón con mucha facilidad, el estado E¢ de éste se comporta como meta-
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estable; por otra parte el estado E¢ se desexcita rápida y espontáneamente al E¢, con lo que se
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produce una inversión de población entre E ¢ y E¢que posibilita la amplificación láser con una lon-
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gitud de onda de 632,8 nm.
En los dos tipos de láser descritos, como en todos, el montaje se completa con los espejos cita- Fig. XXVIII-28. El estado metaesta-
dos en la sección XXVIII-20, que aumentan el tiempo de permanencia de los fotones en el mate- ble en E . La inversión se da entre E 1
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rial láser favoreciendo la emisión estimulada en avalancha. y E .
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