Medio de ganancia

definición:
Medio para amplificación láser.

En la física láser, un medio de ganancia láser es un medio que puede amplificar la potencia de la luz (generalmente en forma de haz). En el láser, el medio necesita compensar la pérdida de la cavidad resonante, a la que generalmente se hace referencia como el medio activo del láser. También se puede aplicar a amplificadores de fibra. La ganancia se refiere al grado de amplificación.  
Debido al aumento de la energía del haz amplificado causado por el medio de ganancia, el propio medio también necesita recibir energía, que se logra a través del proceso de bombeo. Generalmente, está diseñado para ser bombeado por corriente (bomba eléctrica) o onda de luz de entrada (bomba óptica), y la longitud de onda de la bomba debe ser menor que la longitud de onda de la luz de señal.  

Tipos de medios de ganancia láser
Hay muchos tipos de medios de ganancia, y los comunes son los siguientes:

1. Algunos semiconductores de espacio de banda directo, tales como GaAs, AlGaAs, InGaAs, son típicamente bombeados por corriente en forma de pozos cuánticos (ver láseres semiconductores).
2. Cristales láser o vidrio, tales como Nd: YAG (granate de aluminio de itrio dopado con neodimio, ver láser de granate de aluminio de itrio), Yb: YAG (YAG dopado con iterbio), Yb: vidrio, Er: YAG (YAG dopado con erbio), o zafiro de titanio, en forma de lámina sólida (ver láser a granel) o fibra óptica de vidrio (láser de fibra, amplificador de fibra). Estos cristales o vidrios están dopados con algunos iones activos láser (principalmente iones trivalentes de elementos de tierras raras, a veces iones de metales de transición) y bombeados por ondas de luz. Los láseres que usan estos medios se denominan comúnmente láseres aislantes dopados.  
3. Los medios de ganancia cerámica suelen doparse con iones de elementos de tierras raras.  
4. Los tintes láser, generalmente soluciones líquidas, se usan en láseres de tinte.  
5. Los láseres de gas usan gases o mezclas de gases, generalmente bombeados por dispositivos de descarga (como láseres de CO2 y láseres excímeros).  
6. Algunos medios de ganancia especiales, como los medios de ganancia química (la conversión de energía química en energía ligera), los medios de bomba nuclear y los osciladores en láseres de electrones libres (la transferencia de energía de hazes de electrones rápidos al haz).  

En comparación con la mayoría de los materiales cristalinos, el vidrio dopado con iones tiene un ancho de banda de amplificación más grande, lo que permite un ajuste de longitud de onda más grande y la generación de pulsos ultracortos. Las desventajas son unas características de temperatura ligeramente pobres (limitando la potencia de salida obtenida) y una sección transversal del láser pequeña, lo que da como resultado un umbral de potencia de la bomba grande (para láseres bloqueados en modo pasivo) y una conmutación Q inestable. Puede consultar la comparación entre cristales láser y vidrio en la entrada para obtener más información.  
La concentración de dopaje de cristales, cerámica y vidrio generalmente necesita ser cuidadosamente optimizada. En presencia de una fuerte absorción por bomba a longitudes de onda cortas, se requiere una concentración de dopaje relativamente alta, pero esto también puede causar pérdidas de energía relacionadas con procesos de extinción, tales como la conversión ascendente causada por grupos de iones activos láser y la transferencia de energía a defectos.  

Efectos físicos importantes
En la mayoría de los casos, la base física del proceso de amplificación es la radiación estimulada, lo que significa que los fotones incidentes desencadenan más radiación de fotones, haciendo que los iones activos láser excitados primero pasen a un estado excitado de energía ligeramente inferior. El proceso de un medio de ganancia de cuatro niveles y un medio de ganancia de tres niveles es diferente.  
El proceso de amplificación menos frecuente es la dispersión Raman estimulada, que implica la conversión de algunos fotones de bomba de alta energía en fotones y fonones de baja energía (relacionados con las vibraciones de la red). Si la potencia de luz incidente es alta y el medio de ganancia alcanza la saturación de ganancia, la ganancia disminuirá. Es decir, con una potencia de bomba limitada,
Un amplificador no puede agregar ninguna cantidad de potencia al haz incidente. En los amplificadores láser, el número de iones de nivel superior disminuye bajo condiciones de saturación debido a la radiación estimulada. 
Hay un efecto térmico en el medio de ganancia, ya que una parte de la potencia de luz de la bomba se convierte en calor. El gradiente de temperatura generado y la tensión mecánica acompañante pueden causar el efecto prisma, dando como resultado la distorsión del haz de luz amplificado. Estos efectos pueden destruir la calidad del haz del láser, reducir la eficiencia, las ventajas e incluso destruir el medio de ganancia (ruptura térmica).  

Propiedades físicas relacionadas de los medios de ganancia láser
En aplicaciones láser, las propiedades físicas de muchos medios de ganancia son importantes. Principalmente incluye:

1. Es mejor que la ganancia máxima ocurra en la región de longitud de onda donde se requiere la transición láser.
2. El medio de sustrato tiene una alta transparencia en el intervalo de longitud de onda de trabajo.
3. Buena fuente de luz de la bomba, absorción eficiente de la bomba
4. Vida útil de nivel superior apropiada: debe ser lo suficientemente larga para aplicaciones de conmutación Q y lo suficientemente corta para la modulación de potencia rápida
5. La alta eficiencia cuántica se obtiene a partir de bajos efectos de extinción, absorción de estado excitado y procesos similares, o de efectos favorables tales como transiciones multifotones o transferencia de energía.
6. Comportamiento ideal de cuatro niveles, ya que el comportamiento de casi tres niveles introduce algunas restricciones adicionales
7. Alta resistencia y larga vida útil, estabilidad química
8. Para medios de ganancia en estado sólido: el medio base necesita tener una buena calidad óptica, que puede cortarse o pulirse a alta calidad (dureza apropiada), permitir el dopaje con alta concentración de iones activos láser sin formar grupos, buena estabilidad química, buena conductividad térmica y bajo coeficiente óptico térmico (efecto de prisma térmico débil durante la operación de alta potencia), la resistencia a la tensión mecánica, la isotropía óptica es generalmente necesaria, pero a veces también puede ser necesaria la birefringencia (reducción del efecto de despolarización térmica) y la ganancia relacionada con la polarización (ver polarización de la radiación láser).
9. Umbral de potencia de bomba bajo a ganancia alta: el producto de la sección transversal de radiación y la vida útil del nivel superior es relativamente grande
10. Requisitos de calidad de haz bajo para las fuentes de luz de la bomba: es necesaria una alta absorción de la bomba
11. Ajuste de longitud de onda: requiere un ancho de banda de ganancia grande
12. Generación de pulsos ultracortos: espectro de ganancia amplio y plano; Dispersión adecuada y no linealidad
13. Láser bloqueado en modo pasivo sin estabilidad de conmutación Q: sección transversal láser lo suficientemente grande
14. Amplificación de pulso de alta energía (amplificador de retroalimentación positiva): El impacto de un alto umbral de daño óptico y una baja saturación en la ganancia

Tenga en cuenta que en algunos casos, pueden ser necesarios requisitos conflictivos. Por ejemplo, los defectos cuánticos muy bajos no son compatibles con un sistema de cuatro niveles. La sección transversal del láser correspondiente a un ancho de banda de ganancia grande es menor en comparación con la situación ideal, y por lo tanto los defectos cuánticos no serán muy pequeños. El trastorno en los medios de ganancia de estado sólido aumenta el ancho de banda de ganancia, pero también reduce la conductividad térmica.
Una corta longitud de absorción de la bomba es ventajosa, pero puede exacerbar los efectos térmicos.  
Los requisitos para medios de ganancia varían en diferentes situaciones. Por lo tanto, muchos medios de ganancia siguen siendo muy importantes para aplicaciones, y es necesario elegir los medios de ganancia apropiados cuando se optimiza el diseño de láseres.