Láser

An atom has discrete or quantum energy levels. An atom can absorb energy from light (photons) or heat (phonons) only if there is a transition between energy levels that match the energy carried by the photon or phonon. For light, this means that any given transition will only absorb one particular wavelength of light. Photons with the correct wavelength can cause a jump from the lower to the higher energy level. The photon is consumed in this process.^[25]:580

In a system in thermodynamic equilibrium, absorption events are balanced by spontaneous emission. A third process also operates: photon with the correct wavelength to be absorbed by a transition can trigger stimulated emission.^[25]:580 The energy level of the atom drops from the higher to the lower level, emitting a photon that matches the original photon in wavelength, phase, and polarization direction. Schematically stimulated emission is:

A laser uses an energy source to excite many atoms to the higher energy state so that spontaneous emission from one atom can trigger a cascade of multiple stimulated emission events, generating a large number of photons at the same wavelength, phase and polarization.^[25]:583

Un modelo físico simple para un láser comienza con la teoría cuántica de la radiación de Albert Einstein de 1917. Einstein adoptó solo una suposición cuántica del modelo de Bohr de los átomos: que existen en estados estacionarios . Cada estado tiene una energía. Einstein trata la interacción entre estos átomos y un campo de radiación utilizando el oscilador clásico de Max Planck , reemplazando de hecho los osciladores no específicos de la ley de Planck con átomos de Bohr. La fase relativa de un oscilador y un campo electromagnético determina la dirección en la que fluye la energía durante la interacción. ^{[ 30 ]} La probabilidad de interacción es proporcional a la densidad de flujo espectral del campo electromagnético,${\displaystyle \rho (\nu,T).}$Suponiendo solo dos niveles de energía,${\displaystyle E_{b}>E_{a}}$, la absorción corresponde a${\displaystyle a\rightarrow b}$con constante de proporcionalidad,${\displaystyle B_{ab}}$y la emisión corresponde a${\displaystyle b\rightarrow a}$con constante de proporcionalidad,${\displaystyle B_{ba}}$Einstein añade una tercera constante,${\displaystyle A_{ba}}$, independientemente de la densidad de flujo, correspondiente a la emisión en ausencia del campo. Cuando los átomos están en equilibrio termodinámico con un campo de radiación, la tasa de absorción debe coincidir con la suma de las dos tasas de emisión: ^{[ 25 ] : 582}$${\displaystyle N_{b}(\rho (\nu ,T)B_{ba}+A_{ba})=N_{a}\rho (\nu ,T)B_{ab}}$$ Si una fuente auxiliar potente excita los átomos al estado superior, entonces${\displaystyle N_{a}\rightarrow 0}$y el equilibrio se romperá. Esto se llama inversión de población . Algunos de los${\displaystyle N_{b}}$Los átomos emitirán luz espontáneamente y otros responderán con emisión estimulada, creando una avalancha de fotones en fase. ^{[ 25 ] : 583}

El medio de ganancia se excita mediante una fuente de energía externa. En la mayoría de los láseres, este medio consiste en una población de átomos que han sido excitados a dicho estado mediante una fuente de luz externa 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 suele ser un material de pureza, tamaño, concentración y forma controladas, que amplifica el haz mediante el proceso de emisión estimulada descrito anteriormente. Este material puede ser de cualquier estado : gas, líquido, sólido o plasma . El medio de ganancia absorbe la energía de bombeo, 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 supera el número de partículas en algún estado de menor energía, se produce la inversión de población . Esta situación da como resultado la amplificación de la luz por parte de los átomos en estados excitados, ya que hay más emisiones estimuladas que absorciones. La inversión de población no puede ocurrir en un sistema de energía de dos niveles: a medida que se puebla el nivel superior, aumenta la probabilidad de emisión estimulada. Esto impide la inversión de población, ya que el número de átomos que transitan de estados excitados a relajados sería el mismo, lo que hace que el proceso sea ineficiente. Los láseres, en cambio, utilizan sistemas de tres niveles o superiores, donde el nivel de energía adicional permite que los electrones se relajen rápidamente y produzcan una inversión de población consistente. ^{[ 31 ]} Un sistema con esta propiedad se denomina amplificador óptico . Cuando un amplificador óptico se coloca dentro de una cavidad óptica resonante, se obtiene un láser. ^{[ 32 ]}

Para medios láser con ganancia extremadamente alta, la llamada superluminiscencia , la luz puede amplificarse suficientemente en un solo paso a través del medio de ganancia sin necesidad de un resonador. Aunque a menudo se le denomina láser (véase, por ejemplo, el láser de nitrógeno ), ^{[ 33 ]} la luz emitida por dicho dispositivo carece de la coherencia espacial y temporal que se logra con los láseres. Este dispositivo no puede describirse como un oscilador, sino más bien como un amplificador óptico de alta ganancia que amplifica su emisión espontánea. El mismo mecanismo describe los denominados máseres /láseres astrofísicos .

El resonador óptico a veces se denomina "cavidad óptica", pero esto es un nombre inapropiado: los láseres utilizan resonadores abiertos en lugar de la cavidad literal que se emplearía a 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 manera que un fotón promedio pasará a través del medio de ganancia repetidamente antes de ser emitido por la apertura de salida o perderse 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. Con el aumento de 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 entre la potencia de bombeo y 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 operación del láser. Si la potencia de bombeo aplicada es demasiado baja, 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 iniciar la acción láser se denomina umbral de láser . El medio de ganancia amplificará cualquier fotón que lo atraviese, independientemente de su dirección; pero solo los fotones en un modo espacial compatible con el resonador pasarán más de una vez a través del medio y recibirán una amplificación sustancial.

En la mayoría de los láseres, la emisión láser comienza con la emisión espontánea en el modo láser. Esta luz inicial se amplifica mediante 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 adelantada 90 grados con respecto a la luz de estimulación. ^{[ 34 ]} Esto, combinado con el efecto de filtrado del resonador óptico, confiere a la luz láser su coherencia característica y puede proporcionarle polarización uniforme y monocromaticidad, según el diseño del resonador. El ancho de línea fundamental del láser ^{[ 35 ]} emitido por el resonador láser puede ser órdenes de magnitud menor que el ancho de línea de la luz emitida por el resonador pasivo. Algunos láseres utilizan un generador de inyección independiente para iniciar el proceso con un haz que ya es altamente coherente. Esto puede producir haces con un espectro más estrecho del que sería posible de otro modo.

En 1963, Roy J. Glauber demostró que los estados coherentes se forman a partir de combinaciones de estados de número de fotones , por lo que recibió el Premio Nobel de Física . ^{[ 36 ]} Un haz de luz coherente se forma mediante estados cuánticos de fotones de frecuencia única distribuidos según una distribución de Poisson . Como resultado, la tasa de llegada de fotones en un haz láser se describe mediante la estadística de Poisson. ^{[ 37 ]}

Muchos láseres producen un haz que puede aproximarse como un haz gaussiano ; dichos haces tienen la divergencia mínima 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 - Gauss o Laguerre -Gauss. Algunos láseres de alta potencia usan un perfil de cima plana conocido como " haz de sombrero de copa ". Los resonadores láser inestables (no utilizados en la mayoría de los láseres) producen haces con forma fractal. ^{[ 38 ]} 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 haz láser, este se encuentra altamente colimado : los frentes de onda son planos, perpendiculares a la dirección de propagación, sin divergencia del haz en ese punto. Sin embargo, debido a la difracción , esto solo se mantiene dentro del rango de Rayleigh . El haz de un láser de modo transversal único (haz gaussiano) diverge finalmente en un ángulo que varía inversamente con el diámetro del haz, como lo requiere la teoría de la difracción . Así, el "haz de lápiz" generado directamente por un láser de helio-neón común se extendería hasta alcanzar un tamaño de quizás 500 kilómetros al iluminar la Luna (desde la distancia de la Tierra). Por otro lado, la luz de un láser semiconductor suele salir del pequeño cristal con una gran divergencia: hasta 50°. Sin embargo, incluso un haz tan divergente puede transformarse en un haz colimado similar mediante un sistema de lentes , como el que siempre se incluye, por ejemplo, en un puntero láser cuya luz proviene de un diodo láser . Esto es posible gracias a que la luz posee un único modo espacial. Esta propiedad única de la luz láser, la coherencia espacial , no puede replicarse con fuentes de luz convencionales (salvo descartando la mayor parte de la luz), como se puede apreciar al comparar el haz de una linterna o un foco con el de casi cualquier láser.

Un perfilador de haz láser se utiliza para medir el perfil de intensidad, el ancho y la divergencia de los haces láser.

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

El mecanismo de producción de radiación en un láser se basa en la emisión estimulada , donde se extrae energía de una transición en un átomo o molécula. La emisión estimulada es un fenómeno cuántico 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. ^{[ 39 ] [ 25 ] : 580} En ausencia de un campo eléctrico, el coeficiente de emisión espontánea, A ₂₁ , es la probabilidad por unidad de tiempo de emisión debido a una transición de un estado excitado (nivel 2) al estado fundamental (nivel 1). En un campo eléctrico, tanto la emisión como la absorción son posibles. B ₂₁ es la probabilidad de emisión; B ₁₂ es la probabilidad de absorción. ^{[ 31 ] [ 40 ]}

Algunas aplicaciones de los láseres dependen de un haz cuya potencia de salida sea constante en el tiempo. Este tipo de láser se conoce como láser de onda continua ( CW ). Muchos tipos de láseres pueden configurarse para operar en modo de onda continua y así satisfacer dicha aplicación. Muchos de estos láseres emiten en varios modos longitudinales simultáneamente, y las oscilaciones entre las frecuencias ópticas ligeramente diferentes de dichas oscilaciones producen variaciones de amplitud en escalas de tiempo inferiores al tiempo de ida y vuelta (el recíproco del intervalo de frecuencia entre modos), típicamente de unos pocos nanosegundos o menos. En la mayoría de los casos, estos láseres siguen denominándose de "onda continua" ya que su potencia de salida es constante al promediarse durante periodos más largos, y las variaciones de potencia de muy alta frecuencia tienen poco o ningún impacto en la aplicación prevista. (Sin embargo, este término no se aplica a los láseres de bloqueo de modos , donde la intención es crear pulsos muy cortos a la velocidad del tiempo de ida y vuelta).

Para el funcionamiento en onda continua, la inversión de población del medio de ganancia debe reponerse continuamente mediante una fuente de bombeo constante. En algunos medios láser, esto es imposible. En otros láseres, requeriría bombear el láser a un nivel de potencia continua muy alto, lo cual sería impracticable, o bien destruir el láser al generar un calor excesivo. Dichos láseres no pueden funcionar en modo de onda continua.

El funcionamiento pulsado de los láseres se refiere a cualquier láser que no se clasifique como de onda continua, de modo que la potencia óptica se presenta en pulsos de cierta duración a una determinada frecuencia de repetición. Esto abarca una amplia gama de tecnologías que responden a diversas necesidades. Algunos láseres son pulsados ​​simplemente porque no pueden funcionar en modo continuo .

En otros casos, la aplicación requiere la producción de pulsos con la mayor energía posible. Dado que la energía del pulso es igual a la potencia promedio dividida por la frecuencia de repetición, este objetivo a veces se puede lograr disminuyendo la frecuencia de los pulsos para que se acumule más energía entre ellos. En la ablación láser , por ejemplo, un pequeño volumen de material en la superficie de una pieza se puede evaporar si se calienta en un tiempo muy corto, mientras que suministrar la energía gradualmente permitiría que el calor se absorbiera en el interior de la pieza, sin alcanzar nunca una temperatura suficientemente alta en un punto determinado.

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 menor que el recíproco de su duración. En el caso de pulsos extremadamente cortos, esto implica la emisión láser en un ancho de banda considerable, muy diferente de los anchos de banda estrechos típicos de los láseres de onda continua. El medio láser en algunos láseres de colorante y láseres de estado sólido vibrónicos produce ganancia óptica en un ancho de banda amplio, lo que permite la creación de un láser capaz de generar pulsos de luz de tan solo unos pocos femtosegundos (10⁻¹⁵ ^s ).

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 rederivación de la ley de radiación de Max Planck , conceptualmente basada en coeficientes de probabilidad ( coeficientes de Einstein ) para la absorción, emisión espontánea y emisión estimulada de radiación electromagnética. ^{[ 41 ] [ 30 ]} En 1928, Rudolf W. Ladenburg confirmó la existencia de los fenómenos de emisión estimulada y absorción negativa. ^{[ 42 ]} En 1939, Valentin A. Fabrikant predijo el uso de la emisión estimulada para amplificar ondas "cortas". ^{[ 43 ]} En 1947, Willis E. Lamb y R.  C.  Retherford encontraron emisión estimulada aparente en espectros de hidrógeno y efectuaron la primera demostración de emisión estimulada. ^{[ 44 ]} En 1950, Alfred Kastler (Premio Nobel de Física 1966) propuso el método de bombeo óptico , que fue demostrado experimentalmente dos años después por Brossel, Kastler y Winter. ^{[ 45 ]}

En 1951, Joseph Weber presentó un artículo sobre el uso de emisiones estimuladas para construir un amplificador de microondas en la Conferencia de Investigación de Tubos de Vacío del Instituto de Ingenieros de Radio, celebrada en junio de 1952 en Ottawa , Ontario, Canadá. ^{[ 46 ]} Tras esta presentación, RCA le pidió a Weber que impartiera un seminario sobre esta idea, y Charles H. Townes le solicitó una copia del artículo. ^{[ 47 ]}

En 1953, Charles H. Townes y los estudiantes de posgrado James P. Gordon y Herbert J. Zeiger produjeron el primer amplificador de microondas, un dispositivo que operaba con principios similares al láser, pero que amplificaba la radiación de microondas en lugar de la radiación infrarroja o visible. El máser de Townes era incapaz de una salida continua. ^{[ 48 ]} 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 utilizando más de dos niveles de energía. Estos medios de ganancia podían 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, que más tarde se convertiría en 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 fuera poco práctico y que no valiera la pena el esfuerzo. ^{[ 49 ]} 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".

En abril de 1957, el ingeniero japonés Jun-ichi Nishizawa propuso el concepto de un " máser óptico semiconductor " en una solicitud de patente. ^{[ 50 ]} Ese mismo año, Charles H. Townes y Arthur Leonard Schawlow, entonces en Bell Labs , comenzaron un estudio serio de "máseres ópticos" infrarrojos. A medida que las ideas se desarrollaban, abandonaron la radiación infrarroja para concentrarse en la luz visible .

Simultáneamente, Gordon Gould, estudiante de posgrado de la Universidad de Columbia, trabajaba en una tesis doctoral sobre los niveles de energía del talio excitado . Gould y Townes se reunieron y hablaron sobre la emisión de radiación como tema general, pero no sobre el trabajo específico que estaban desarrollando. Más tarde, en noviembre de 1957, Gould anotó sus ideas sobre cómo se podría fabricar un "láser", incluyendo el uso de un resonador abierto (un componente esencial de un dispositivo láser). Su cuaderno incluía un diagrama de un láser bombeado ópticamente. También contenía el primer uso registrado del término "láser", un acrónimo de "amplificación de luz por emisión estimulada de radiación", junto con sugerencias para posibles aplicaciones de los haces de luz coherente descritos. ^{[ 3 ]}

En 1958, Bell Labs presentó una solicitud de patente para el máser óptico propuesto por Schawlow y Townes; y Schawlow y Townes publicaron un artículo con sus cálculos teóricos en Physical Review . ^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ]} Ese mismo año, Prokhorov propuso de forma independiente el uso de un resonador abierto, la primera aparición publicada de esta idea.

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 . ^{[ 56 ] [ 19 ]} La intención de Gould era que se utilizaran diferentes acrónimos "-ASER" para diferentes partes del espectro: "XASER" para rayos X, "UVASER" para ultravioleta, "RASER" para ondas de radio, etc. En cambio, el término "LASER" terminó utilizándose para todos los dispositivos que operan en longitudes de onda más cortas que las microondas.

Las notas de Gould incluían posibles aplicaciones para un láser, como telecomunicaciones ópticas, espectrometría , interferometría , radar y fusión nuclear . Continuó desarrollando la idea y presentó una solicitud de patente en abril de 1959. La Oficina de Patentes y Marcas de los Estados Unidos (USPTO) denegó su solicitud y otorgó una patente a Bell Labs en 1960. Esto provocó una batalla legal de veintiocho años por los derechos de diversas tecnologías y aplicaciones láser. Gould obtuvo su primera patente en 1977 para amplificadores láser bombeados ópticamente, pero no fue hasta 1987 que ganó su primera demanda significativa por infracción de patente. ^{[ 57 ]} Muchos aspectos de un láser funcional fueron patentados por diferentes personas: la cuestión de cómo atribuir el crédito por la invención del láser sigue sin resolverse para los historiadores. ^{[ 58 ]}

El 16 de mayo de 1960, Theodore H. Maiman operó el primer láser funcional ^{[ 59 ] [ 60 ]} en los Laboratorios de Investigación Hughes , Malibu, California, por delante de varios equipos de investigación, incluidos los de Townes, en la Universidad de Columbia , Arthur L. Schawlow , en los Laboratorios Bell , ^{[ 61 ]} 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 operar pulsado, debido a su esquema de diseño de bombeo de tres niveles. Más tarde ese año, el físico iraní Ali Javan , y William R. Bennett Jr. , y Donald R. Herriott , construyeron el primer láser de gas , utilizando 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 Ciencia Albert Einstein en 1993. En 1962, Robert N. Hall demostró el primer láser semiconductor , que estaba hecho de arseniuro de galio y emitía 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 1964, C. Kumar N. Patel en Bell Telephone Laboratories inventó el láser de dióxido de carbono (CO2) , el primer láser de gas de onda continua de alta potencia, ^{[ 62 ]} que se convirtió en uno de los láseres industriales y médicos más ampliamente utilizados. En 1970, Zhores Alferov , en la URSS, e Izuo Hayashi y Morton Panish de Bell Labs también desarrollaron independientemente láseres de diodo de operación continua a temperatura ambiente, utilizando la estructura de heterounión .  

Desde los inicios de la historia del láser, la investigación en este campo ha producido una variedad de tipos de láser mejorados y especializados, optimizados para diferentes objetivos de rendimiento, entre los que se incluyen:

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

Research on improving these aspects of lasers continues to this day.

In 2015, researchers made a white laser, whose light is modulated by a synthetic nanosheet made out of zinc, cadmium, sulfur, and selenium that can emit red, green, and blue light in varying proportions, with each wavelength spanning 191 nm.^[63][64][65]

In 2017, researchers at the Delft University of Technology demonstrated an AC Josephson junction microwave laser.^[66] Since the laser operates in the superconducting regime, it is more stable than other semiconductor-based lasers. The device has the potential for applications in quantum computing.^[67] In 2017, researchers at the Technical University of Munich demonstrated the smallest mode locking laser capable of emitting pairs of phase-locked picosecond laser pulses with a repetition frequency up to 200 GHz.^[68]

In 2017, researchers from the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), together with US researchers from JILA, a joint institute of the National Institute of Standards and Technology (NIST) and the University of Colorado Boulder, established a new world record by developing an erbium-doped fiber laser with a linewidth of only 10 millihertz.^[69][70]

Following the invention of the HeNe gas laser, many other gas discharges have been found to amplify light coherently. Gas lasers using many different gases have been built and used for many purposes. The helium–neon laser (HeNe) can operate at many different wavelengths, however, the vast majority are engineered to lase at 633 nm; these relatively low-cost but highly coherent lasers are extremely common in optical research and educational laboratories. Commercial carbon dioxide (CO₂) lasers can emit many hundreds of watts in a single spatial mode which can be concentrated into a tiny spot. This emission is in the thermal infrared at 10.6 μm; such lasers are regularly used in industry for cutting, welding, and medical applications. The efficiency of a CO₂ laser is unusually high: over 30%.^[71]Argon-ion lasers can operate at several lasing transitions between 351 and 528.7 nm. Depending on the optical design one or more of these transitions can be lasing simultaneously; the most commonly used lines are 458 nm, 488 nm and 514.5 nm. A nitrogen transverse electrical discharge in gas at atmospheric pressure (TEA) laser is an inexpensive gas laser, often home-built by hobbyists, which produces rather incoherent UV light at 337.1 nm.^[72] Metal ion lasers are gas lasers that generate deep ultraviolet wavelengths. Helium-silver (HeAg) 224 nm and neon-copper (NeCu) 248 nm are two examples. Like all low-pressure gas lasers, the gain media of these lasers have quite narrow oscillation linewidths, less than 3 GHz (0.5 picometers),^[73] making them candidates for use in fluorescence suppressed Raman spectroscopy.

Lasing without maintaining the medium excited into a population inversion was demonstrated in 1992 in sodium gas and again in 1995 in rubidium gas by various international teams.^[74][75] This was accomplished by using an external maser to induce "optical transparency" in the medium by introducing and destructively interfering the ground electron transitions between two paths so that the likelihood for the ground electrons to absorb any energy has been canceled.

Los láseres de estado sólido utilizan una varilla cristalina o de vidrio dopada con iones que proporcionan los estados energéticos necesarios. Por ejemplo, el primer láser funcional fue un láser de rubí , fabricado con rubí ( corindón dopado con cromo ). La inversión de población se mantiene en el dopante. Estos materiales se bombean ópticamente con una longitud de onda menor que la de emisión láser, generalmente mediante un tubo de destello u otro láser. El uso del término "estado sólido" en física láser es más restringido que en su uso habitual. Los láseres semiconductores (diodos láser) no suelen denominarse láseres de estado sólido.

El neodimio es un dopante común en varios cristales láser de estado sólido, incluyendo el ortovanadato de itrio ( Nd:YVO₄ ₎ , 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 cortar, soldar y marcar metales y otros materiales, así como en espectroscopia y para bombear láseres de colorante . Estos láseres también se suelen duplicar , triplicar o cuadruplicar en frecuencia para producir haces de 532  nm (verde, visible), 355  nm y 266  nm ( UV ), respectivamente. ^{[ 78 ]} Los láseres de estado sólido bombeados por diodos con duplicación de frecuencia (DPSS) se utilizan para fabricar punteros láser de luz verde brillante de baja potencia (<10  mW) y láseres médicos de alta potencia (>3W). ^{[ 79 ]}

El iterbio , el holmio , el tulio y el erbio son otros "dopantes" comunes en los láseres de estado sólido. ^{[ 80 ]} El iterbio se utiliza en cristales como Yb:YAG, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:SYS, Yb:BOYS, Yb:CaF ₂ , que normalmente operan alrededor de 1020–1050  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 recubrir articulaciones, eliminar caries 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 en espectroscopia . También destaca por su uso como láser de bloqueo de modos, que produce pulsos ultracortos de potencia máxima extremadamente alta.

Los osciladores paramétricos ópticos desplazan la longitud de onda de los láseres de estado sólido a lo largo del espectro, desde el ultravioleta hasta el infrarrojo. ^{[ 81 ]} Los OPO con adaptación de fase no crítica pueden convertir longitudes de onda láser con una eficiencia de hasta el 70 %, creando láseres de alta eficiencia en las denominadas longitudes de onda "seguras para la vista", lo que permitió el uso seguro de láseres en público sin dañar los ojos. ^{[ 82 ]}

Las limitaciones térmicas en los láseres de estado sólido se deben a la potencia de bombeo no convertida que calienta el medio. Este calor, junto con un alto coeficiente termoóptico (d n /d T ), puede provocar efecto de lente térmica y reducir la eficiencia cuántica. Los láseres de disco delgado bombeados por diodos superan estos problemas al tener un medio de ganancia 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. ^{[ 83 ]}

Los láseres de estado sólido o amplificadores láser, donde la luz se guía mediante reflexión interna total en una fibra óptica monomodo, se denominan láseres de fibra . La guía de la luz permite regiones de ganancia extremadamente largas, lo que proporciona buenas condiciones de refrigeración; las fibras tienen una alta relación superficie-volumen, lo que permite una refrigeración eficiente. Además, las propiedades de guía de onda de la fibra tienden a reducir la distorsión térmica del haz. Los iones de erbio e iterbio son especies activas comunes en este tipo de láseres.

Con frecuencia, el láser de fibra se diseña como una fibra de doble revestimiento . Este tipo de fibra consta de un núcleo, un revestimiento interno y un revestimiento externo. El índice de refracción de las tres capas concéntricas se elige de manera que el núcleo actúe como una fibra monomodo para la emisión láser, mientras que el revestimiento externo actúe como un núcleo multimodo para el láser de bombeo. Esto permite que el bombeo propague una gran cantidad de potencia dentro y a través de la región activa del núcleo interno, manteniendo al mismo tiempo una alta apertura numérica (NA) para facilitar las condiciones de lanzamiento.

La luz de bombeo se puede utilizar de forma más eficiente creando un láser de disco de fibra o una pila de dichos láseres.

Los láseres de fibra, al igual que otros medios ópticos, pueden sufrir los efectos del fotooscurecimiento cuando se exponen a radiación de ciertas longitudes de onda. En particular, esto puede provocar la degradación del material y la pérdida de funcionalidad del láser con el tiempo. Las causas y los efectos exactos de este fenómeno varían según el material, aunque a menudo implica la formación de centros de color . ^{[ 84 ]}

Los láseres de cristal fotónico son láseres basados ​​en nanoestructuras que proporcionan el confinamiento del modo y la estructura de densidad de estados ópticos (DOS) necesarios para que se produzca la retroalimentación. Suelen tener un tamaño micrométrico y son sintonizables en las bandas de los cristales fotónicos. ^{[ 85 ]}

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

Los diodos láser comerciales emiten en longitudes de onda de 375  nm a 3500  nm. ^{[ 86 ]} 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 frecuentemente para bombear ópticamente otros láseres con alta eficiencia. Los diodos láser industriales de mayor potencia, con una potencia de hasta 20  kW, se utilizan en la industria para corte y soldadura. ^{[ 87 ]} Los láseres semiconductores de cavidad externa tienen un medio activo semiconductor en una cavidad más grande. Estos dispositivos pueden generar salidas de alta potencia con buena calidad de haz, radiación de ancho de línea estrecho sintonizable en longitud de onda o pulsos láser ultracortos.

En 2012, Nichia y OSRAM desarrollaron y fabricaron diodos láser verdes de alta potencia comerciales (515/520  nm), que compiten con los láseres de estado sólido bombeados por diodos tradicionales. ^{[ 88 ] [ 89 ]}

Los láseres de emisión superficial 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, mientras que  los VCSEL de 1300 nm comienzan a comercializarse ^{[ 90 ]} 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 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 preferido 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 láser difícil de manejar, ya que tiene ciertas propiedades que bloquean la emisión láser. Sin embargo, recientemente, algunos equipos han producido láseres de silicio mediante 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 denominan láseres de silicio híbridos . Los desarrollos recientes también han demostrado el uso de láseres de nanocables integrados monolíticamente directamente sobre silicio para interconexiones ópticas, lo que abre el camino a aplicaciones a nivel de chip. ^{[ 91 ]} Estos láseres de nanocables de heteroestructura, capaces de interconexiones ópticas en silicio, también pueden 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. ^{[ 68 ]} Otro tipo es un láser Raman , que aprovecha la dispersión Raman para producir un láser a partir de materiales como el silicio.

Los láseres de puntos cuánticos semiconductores utilizan puntos cuánticos como medio láser activo. Estos láseres presentan un rendimiento más cercano al de los láseres de gas y evitan algunas de las desventajas de los medios láser semiconductores tradicionales. Se han observado mejoras en el ancho de banda de modulación , el umbral de emisión láser , el ruido de intensidad relativa , el factor de mejora del ancho de línea y la insensibilidad a la temperatura. La región activa de puntos cuánticos también puede diseñarse para operar en diferentes longitudes de onda variando el tamaño y la composición de los puntos. Esto permite fabricar láseres de puntos cuánticos que operen en longitudes de onda que antes no eran posibles con la tecnología láser semiconductora. ^{[ 92 ]}

Los láseres de colorante utilizan un colorante orgánico como medio de ganancia. El amplio espectro de ganancia de los colorantes disponibles, o mezclas de colorantes, permite que estos láseres sean altamente sintonizables o que produzcan pulsos de muy corta duración ( del orden de unos pocos femtosegundos ). Si bien estos láseres sintonizables se conocen principalmente en su forma líquida, los investigadores también han demostrado la 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 común, estos láseres de colorante de estado sólido utilizan polímeros dopados con colorante como medios láser.

Los láseres de burbuja son láseres de colorante que utilizan una burbuja como resonador óptico. Los modos de galería susurrante en la burbuja producen un espectro de salida compuesto por cientos de picos espaciados uniformemente: un peine de frecuencias . El espaciado de los modos de galería susurrante está directamente relacionado con la circunferencia de la burbuja, lo que permite utilizar los láseres de burbuja como sensores de presión de alta sensibilidad. ^{[ 93 ]}

Los láseres de electrones libres (FEL) generan radiación coherente de alta potencia y ampliamente sintonizable, con longitudes de onda que actualmente abarcan desde microondas, pasando por radiación de terahercios e infrarrojos, hasta el espectro visible y los rayos X blandos. Poseen el rango de frecuencia más amplio de cualquier tipo de láser. Si bien los haces de FEL comparten las mismas características ópticas que otros láseres, como la radiación coherente, su funcionamiento 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 relativistas como medio láser, de ahí el término " electrón libre" .

La búsqueda de un láser de alta energía cuántica mediante transiciones entre estados isoméricos de un núcleo atómico ha sido objeto de una extensa investigación académica desde principios de la década de 1970. Gran parte de esta investigación se resume en tres artículos de revisión. ^{[ 94 ] [ 95 ] [ 96 ]} Esta investigación ha tenido un alcance internacional, pero se ha centrado principalmente en la antigua Unión Soviética y Estados Unidos. Si bien muchos científicos siguen siendo optimistas respecto a la proximidad de un avance significativo, aún no se ha logrado un láser de rayos gamma operativo . ^{[ 97 ]}

Algunos de los primeros estudios se dirigieron a pulsos cortos de neutrones que excitaban el estado isomérico superior en un sólido para que la transición de rayos gamma pudiera beneficiarse del estrechamiento de línea del efecto Mössbauer . ^{[ 98 ] [ 99 ]} En conjunto, se esperaban varias ventajas del bombeo en dos etapas de un sistema de tres niveles. ^{[ 100 ]} Se conjeturó que el núcleo de un átomo incrustado en el campo cercano de una nube de electrones oscilante coherente impulsada por láser experimentaría un campo dipolar mayor que el del láser impulsor. ^{[ 101 ] [ 102 ]} 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 impulsarse a múltiplos de la frecuencia del láser. ^{[ 103 ] [ 104 ] [ 105 ] [ 106 ] [ 107 ] [ 108 ] [ 109 ]}

En septiembre de 2007, BBC News informó que se especulaba sobre la posibilidad de utilizar la aniquilación de positrones para impulsar un láser de rayos gamma muy potente. ^{[ 110 ]} David Cassidy, de la Universidad de California, Riverside, propuso que un solo láser de este tipo podría utilizarse para iniciar una reacción de fusión nuclear , reemplazando los conjuntos de cientos de láseres empleados actualmente en experimentos de fusión por confinamiento inercial . ^{[ 110 ]}

También se han propuesto láseres de rayos X espaciales bombeados por explosiones nucleares como armas antimisiles. ^{[ 111 ] [ 112 ]} Estos dispositivos serían armas de un solo uso.

Se han utilizado células vivas para producir luz láser. ^{[ 113 ] [ 114 ]} 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 cavidad láser. Cuando la célula fue iluminada con luz azul, emitió luz láser verde intensamente dirigida.

Al igual que los máseres astrofísicos , los gases planetarios o estelares irradiados pueden amplificar la luz produciendo un láser natural. ^{[ 115 ]} Marte , ^{[ 116 ]} Venus y MWC 349 exhiben este fenómeno.

Los láseres tienen muchos usos en medicina, incluyendo cirugía láser (en particular cirugía ocular ), cura de la ceguera, ^{[ 133 ]} curación láser (terapia de fotobiomodulación), tratamiento de cálculos renales , oftalmoscopia y tratamientos cosméticos de la piel como tratamiento del acné , reducción de celulitis y estrías , y depilación .

Los láseres se utilizan para tratar el cáncer reduciendo o destruyendo tumores o lesiones precancerosas. Su uso más común es 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 iniciales de otros tipos de cáncer, como el de cuello uterino , pene , vagina , vulva y pulmón de células no pequeñas . La terapia láser suele combinarse con otros tratamientos, como cirugía , quimioterapia o radioterapia . La termoterapia intersticial inducida por láser (LITT), o fotocoagulación láser intersticial , utiliza láseres para tratar algunos tipos de cáncer mediante hipertermia, que emplea calor para reducir los tumores dañando o destruyendo las células cancerosas. Los láseres son más precisos que los métodos quirúrgicos tradicionales y causan menos daño, dolor, sangrado , inflamación y cicatrices. Una desventaja es que los cirujanos deben adquirir formación especializada, por lo que probablemente será más costoso que otros tratamientos. ^{[ 134 ] [ 135 ]}

La terapia láser de baja intensidad (LLLT) es un tratamiento en el que se aplica luz de baja potencia de láseres o diodos emisores de luz (LED) a la superficie del cuerpo. ^{[ 136 ] [ 137 ] [ 138 ] [ 139 ] [ 140 ]} Se afirma que esto estimula la curación, alivia el dolor y mejora la función celular. Los efectos parecen estar limitados a longitudes de onda de luz específicas. La eficacia de esta forma de tratamiento aún está en investigación. La terapia repetida con luz roja de baja intensidad puede ser eficaz para controlar la miopía en niños. ^{[ 141 ] [ 142 ]} Varios de estos dispositivos están aprobados por la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA), y la terapia con luz roja de baja intensidad se está probando para tratar una variedad de problemas médicos, incluida la artritis reumatoide ^{[ 143 ]} y la mucositis oral . ^{[ 144 ]}

Un arma láser es un tipo de arma de energía dirigida que utiliza láseres para infligir daño. ^{[ 145 ]} Aún está por verse si se desplegarán como armas militares prácticas y de alto rendimiento. ^{[ 146 ] [ 147 ]} Uno de los principales problemas con las armas láser es la floración térmica atmosférica , que aún no se ha resuelto en gran medida. Este problema se agrava cuando hay niebla, humo, polvo, lluvia, nieve, smog, espuma o sustancias químicas oscurecedoras dispersas intencionalmente. La Armada de los Estados Unidos ha probado el Sistema de Armas Láser (LaWS) de muy corto alcance (1 milla) y 30 kW para ser utilizado contra objetivos como pequeños UAV , granadas propulsadas por cohetes y motores visibles de lanchas o helicópteros . ^{[ 148 ] [ 149 ]} Se ha descrito como "seis láseres de soldadura unidos". Un sistema de 60 kW, HELIOS , se está desarrollando para buques de clase destructor a partir de 2020. . ^{[ 150 ] [ 151 ]}

Los láseres pueden usarse como armas incapacitantes no letales . ^{[ 152 ]} Pueden causar pérdida de visión temporal o permanente cuando se dirigen a los ojos. Incluso los láseres con una potencia de salida inferior a un vatio pueden causar pérdida de visión inmediata y permanente bajo ciertas condiciones, lo que los convierte en armas potencialmente no letales pero incapacitantes. El uso de tales láseres es moralmente controvertido debido a la discapacidad extrema que representa la ceguera inducida por láser. El Protocolo sobre Armas Láser Cegadoras prohíbe el uso de armas diseñadas para causar ceguera permanente. Las armas diseñadas para causar ceguera temporal, conocidas como deslumbrantes , son utilizadas por organizaciones militares y, en ocasiones, policiales.

En los últimos años, algunos aficionados se han interesado por los láseres. Los láseres que utilizan suelen ser de clase IIIa o IIIb , aunque algunos han fabricado sus propios láseres de clase IV. ^{[ 153 ]} Sin embargo, debido al coste y a los peligros potenciales, se trata de una afición poco común. Algunos aficionados recuperan diodos láser de reproductores de DVD averiados (rojos), reproductores de Blu-ray (violetas) o incluso diodos láser de mayor potencia de grabadoras de CD o DVD . ^{[ 154 ]}

Los aficionados también han utilizado láseres excedentes procedentes de aplicaciones militares retiradas y los han modificado para la holografía . Los láseres de rubí y YAG pulsados ​​funcionan bien para esta aplicación.

Las distintas aplicaciones requieren 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 media. Los láseres que producen pulsos también se pueden caracterizar según la potencia pico de cada pulso. La potencia pico de un láser pulsado es varios órdenes de magnitud mayor que su potencia media. La potencia de salida media siempre es menor que la potencia consumida.

Ejemplos de sistemas pulsados ​​con alta potencia pico:

• 700 TW (700×10 ¹² W) — Instalación Nacional de Ignición , un sistema láser de 192 haces y 1,8 megajulios adyacente a una cámara de destino de 10 metros de diámetro ^{[ 157 ]}
• 10 PW (10×10 ¹⁵ W) — el láser más potente del mundo a partir de 2019, ubicado en las instalaciones de ELI-NP en Măgurele , Rumania. ^{[ 158 ]}