Normalmente todas las transiciones electrónicas radioactivas son espontáneas, es decir, un electrón cae de

un estado de alta energía a una menor de menor energía, sin ningún tipo de estímulo externo. Estos even-

tos se producen de forma independiente el uno del otro y siempre al azar, produciendo una radiación que

es incoherente, es decir, las ondas de luz están fuera de fase las unas con las otras. Con el láser, sin embar-

go, la luz coherente es generada por transiciones de electrones iniciados por un estímulo externo, de hecho,

el láser es el acrónimo de la amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación.

Aunque hay varias variedades diferentes de láser, los principios se explican utilizando el láser de rubí de

estado sólido. El laser de rubí, es un cristal de Al2O3 (zafiro) a la que se ha añadido del orden del 0,05%

de iones de Cr3. El láser de rubí en forma de una barra, cuyos extremos son planos, paralelos, y perfecta-

mente pulidos. Ambos extremos son plateados de tal manera que uno es totalmente reflectante y el otro

refleja la luz parcialmente.

El rubí es iluminado con la luz de una lámpara de flash de xenón (Figura 21.13). Antes de la estimulación,

casi todos los iones Cr 3 se encuentran en sus estados fundamentales, es decir, electrones llenan los niveles

más bajos de energía, como se representa esquemáticamente en la figura 21.14. Sin embargo, los fotones de

longitud de onda de 0.56 µm de la lámpara de xenón, excitan a los electrones de los iones del Cr 3, hacia

los estados de energía más altos.

Figura 21.13

Diagrama esquemático del

láser de rubí y de la lámpa-

ra flash de xenón.

Estos electrones pueden decaer de nuevo a su estado fundamental por dos vías diferentes. Algunos

caen directamente; asociados a los fotones de las emisiones que forman parte del haz de láser. Otros

electrones se descomponen a un estado meta-estable intermedio (trayectoria EM, de la figura 21.14),

donde pueden vivir hasta 3 ms (milisegundos) antes de la emisión espontánea (trayectoria MG ). En

términos de procesos electrónicos, 3 ms es un tiempo relativamente largo, lo cual significa que un

gran número numero de estos estados meta-estables pueden llegar a ser ocupados. Esta situación se

indica en la figura 21.15b.

La emisión inicial de fotones espontánea por algunos de estos electrones, es el estimulo que desenca-

dena una avalancha de emisiones de los electrones restantes al estado meta-estable (Figura 21.15c).

Los fotones cuya dirección es paralela al eje longitudinal de la varilla de rubí, algunos se transmiten a

través del extremo parcialmente plateado, mientras que otros, continúan hasta el final del espejo to-

talmente plateado, y se reflejan. Los fotones que no se emiten en esta dirección axial se pierden. El

rayo de luz recorre, en varias ocasiones la ida y vuelta a lo largo del longitud de la barra, y su intensi-

dad va aumentando a medida que las emisiones son estimuladas. En última instancia, una luz alta in-

tensidad, coherente y altamente colimado produce un rayo de luz láser de corta duración que se trans-

mite a través de la parte final de la barra plateada (Figura 21.15e). Este haz de luz roja monocromática

tiene una longitud de onda de 0,6943 µm.

Figura 21.14

Diagrama de energía para el

láser de rubí , que muestra

las trayectorias de la excita-

ción de los electrones y su

decadencia.

Figura 21.15

Representaciones esquemáticas de la emisión

estimulada y amplificación de luz de un láser

de rubí. (a) Los iones de cromo antes de exci-

tación. (b) Los electrones de cromo son excita-

dos a niveles de alta energía por la luz flash de

la lámpara xenón. (c) Emisiones de estados

meta estables de electrones estimulados por

los fotones que surgen de manera espontánea

(d) La reflexión de los extremos plateados, los

fotones continúan estimulando las emisiones

a medida que atraviesan la longitud de la ba-

rra. (e) El haz coherente e intensa, por fin emi-

tida a través del extremo parcialmente platea-

do.

Algunos materiales semiconductores como el arseniuro de galio, también se pueden utilizar como lá-

seres, que se utilizan en los reproductores de disco compacto y en el de las telecomunicaciones de las

industrias modernas. Uno de los requisitos de estos materiales semiconductores es su longitud de on-

da asociada a la banda de energía Eg debe corresponder a la luz visible. Es decir:

(21.20)

Donde el valor de λ debe estar entre 0,4 y 0,7 µm. Un voltaje aplicado al material excita los electrones

de la banda de valencia y en la banda de conducción, en consecuencia, los agujeros se crean en la

banda de valencia. Este proceso es demostrado en la figura 21.16a, que muestra el esquema de bandas

de energía en algunas regiones del material semiconductor, junto con varios agujeros y electrones ex-

citados. Posteriormente, algunos de estos electrones excitados y los agujeros de formados espontá-

neamente se recombinan. Para cada evento de recombinación, un fotón de luz que tiene una longitud

de onda dada por la Ecuación, se emite (Figura 21.16a). Un fotón estimulará la recombinación de

otros pares electrones-hueco excitados, (Figura 21.16b-f) y la producción de fotones adicionales que

tienen la misma longitud de onda y que están en fase entre sí y con el fotón original, dando como re-

sultado un rayo monocromático y coherente . Al igual que con el láser de rubí (Figura 21.15), un extre-

mo del láser semiconductor es totalmente reflectante a este fin, el haz se refleja en el material, para

estímulos de recombinaciones adicionales.

El otro extremo del láser esta parcialmente que reflejado, lo que permite que algunos de la rayos se

escapen. Además, con este tipo de láser, un haz continuo de la medida en que se produce una ten-

sión constante aplicada asegura que siempre hay una fuente constante de huecos y electrones exci-

tados.

El semiconductor láser se compone de varias capas de materiales semiconductores que tienen com-

posiciones diferentes y se intercalan entre un disipador de calor y un conductor de metal, una dispo-

sición típica se representa esquemáticamente en la figura 21.17. Las composiciones de las capas se

seleccionan de forma que limitan tanto la electrones excitados y como los agujeros, así como el haz

de láser dentro de la capa de arseniuro de galio central.

Figura 21.16 Representaciones esquemáticas de las recombinación de los electrones excitados,

en la banda de conducción de un material semiconductor, con los agujeros en la banda de va-

lencia que da lugar a un rayo láser. (a) Un electrón excitado se recombina con un hueco, el ener-

gía asociada a esta recombinación se emite como un fotón de luz. (b) El fotón emitido en una re-

combinación estimulada por otro electrón excitado y su agujero, lo que da como resultado la emi-

sión de otro fotón de luz. (c) Los dos fotones emitidos en un (a) y (b), tienen la misma longitud

de onda y están en fase el uno con el otro, son reflejados por el espejo al interior del material se-

miconductor. Nuevos electrones excitados y sus huecos, se generan por la corriente que pasa a

través del semiconductor (d) y (e). A través del semiconductor, más recombinaciones de electro-

nes—hueco son estimulados, dando lugar a fotones adicionales de luz, que también forman parte

del haz de láser monocromático y coherente. (f) Algunas partes de este, se escapan del rayo láser

a través del espejo, que refleja parcialmente en un extremo del material semiconductor.

Una variedad de otras sustancias se pueden utilizar para el láser, incluyendo algunos gases y vidrios. Tabla

21.2 enumera varios láser comunes y sus características y sus diversas aplicaciones. Debido a que los rayos

láser puede ser enfocado para producir un calentamiento localizado, se utilizan en algunos procedimientos

quirúrgicos y para el corte, soldadura y mecanizado de metales. Los láseres son también utilizados como

fuentes de luz para los sistemas de comunicación óptica. Por otra parte, debido a que el haz es muy cohe-

rente, puede ser utilizado para hacer mediciones de distancias muy precisas.

Figura 21.17

Diagrama que muestra la sección

transversal por capas un semi-

conductor GaAs láser. Huecos,

electrones excitados, y el haz

de láser confinado en la capa

de GaAs , entre las capas n y p

de Ga Al As.