Dopante

El procedimiento de dopaje con pequeñas cantidades de los metales cromo (Cr), neodimio (Nd), erbio (Er), tulio (Tm), iterbio (Yb) y algunos otros, en cristales , cerámicas o vidrios transparentes se utiliza para producir el medio activo de los láseres de estado sólido . Es en los electrones de los átomos dopantes donde se puede producir una inversión de población , y esta inversión de población es esencial para la emisión estimulada de fotones en el funcionamiento de todos los láseres .

En el caso del rubí natural , una pequeña cantidad de cromo se distribuye de forma natural en un cristal de óxido de aluminio ( corindón ). Este cromo no solo le confiere al rubí su color rojo, sino que también le permite experimentar una inversión de población y actuar como láser. Los átomos de aluminio y oxígeno en el cristal transparente de óxido de aluminio simplemente sirven para mantener a los átomos de cromo en una buena distribución espacial y, por lo demás, no tienen ninguna relación con la acción láser.

En otros casos, como en el láser YAG de neodimio , el cristal se fabrica sintéticamente y no se encuentra en la naturaleza. El cristal de granate de itrio y aluminio artificial contiene millones de átomos de itrio y, debido a su tamaño físico, valencia química, etc., funciona bien para sustituir a una pequeña minoría de átomos de itrio en su red cristalina, reemplazándolos con átomos de elementos de tierras raras , como el neodimio. Estos átomos dopantes son los que realizan el proceso láser en el cristal. El resto de los átomos del cristal son de itrio, aluminio y oxígeno, pero, como se mencionó anteriormente, estos otros tres elementos simplemente sirven de soporte a los átomos de neodimio. Además, el erbio, un elemento de tierras raras, puede utilizarse como dopante en lugar del neodimio, lo que da como resultado una longitud de onda de salida diferente.

En muchos materiales ópticamente transparentes , estos centros activos pueden mantener su excitación durante un tiempo del orden de milisegundos y relajarse con emisión estimulada , proporcionando la acción láser. La cantidad de dopante se suele medir en porcentaje atómico . Normalmente, en los cálculos se asume el porcentaje atómico relativo, teniendo en cuenta que el ion dopante solo puede sustituir parcialmente un sitio en una red cristalina. El dopaje también puede utilizarse para cambiar el índice de refracción en fibras ópticas , especialmente en fibras de doble revestimiento . Los dopantes ópticos se caracterizan por el tiempo de vida de la excitación y las secciones transversales de absorción y emisión efectivas, que son los parámetros principales de un dopante activo. Normalmente, la concentración de dopante óptico es del orden de unos pocos por ciento o incluso menor. A alta densidad de excitación, el apagamiento cooperativo (relajación cruzada) reduce la eficiencia de la acción láser.

El campo médico utiliza cristales láser dopados con erbio para los bisturíes láser empleados en cirugía láser . El europio , el neodimio y otros elementos de tierras raras se utilizan para dopar vidrios para láseres. Los granates de itrio y aluminio (YAG) dopados con holmio y neodimio se utilizan como medio láser activo en algunos bisturíes láser. ^{[ 1 ]}