Láseres y fotónica

Principios físicos del láser, amplificación óptica, umbral, cavidades y aplicaciones fotónicas.

Contexto conceptual

Un láser combina medio activo, bombeo y cavidad para amplificar y seleccionar radiación. La pregunta central es cuándo la ganancia compensa las pérdidas. Antes de ese punto domina la emisión espontánea; al superar $P_u$, aparece oscilación sostenida y $P_out$ crece con $P_p$. La fotónica conecta esta física con generación, guiado, modulación y detección de luz.

🟢 Nivel esencial

El medio activo almacena energía aportada por la $P_p$. Cuando existe inversión de población, un fotón adecuado puede provocar emisión estimulada y generar otro fotón con la misma $\nu$, fase y dirección idealizadas. La $h$ fija la conversión entre esa frecuencia y la energía de cada cuanto.

La cavidad devuelve parte de la luz mediante sus dos espejos, de modo que la radiación atraviesa varias veces el medio y se amplifica. También existen pérdidas ópticas. El láser comienza a oscilar al alcanzar la condición umbral. Por debajo, la salida láser útil es casi nula; por encima, aumenta aproximadamente de forma lineal. La rapidez de ese aumento se describe mediante la eficiencia pendiente: cuánta potencia óptica útil se obtiene por cada incremento adicional de bombeo. Se trata, por tanto, de una medida de conversión diferencial una vez iniciada la oscilación, no de la eficiencia global de todo el dispositivo desde que se enciende la fuente de bombeo.

🔵 Nivel formal

Fórmulas básicas

La descripción cuántica comienza con la relación entre $E_{\gamma}$ y $\nu$:

Energía de un fotón

La $\lambda$ en el vacío se obtiene conectando $\nu$ y $c$:

Frecuencia y longitud de onda

Ambas relaciones son puramente cuánticas y no dependen todavía de la cavidad, el bombeo ni ningún otro elemento del dispositivo láser concreto.

Preguntas reales del alumno

¿Hay luz antes del umbral? Sí, por emisión espontánea. ¿Más bombeo siempre aumenta la salida? Solo en el intervalo válido. ¿Mayor $R_2$ siempre ayuda? No, mejora realimentación pero reduce extracción. ¿La $\lambda$ determina potencia? No; determina energía por fotón, mientras la potencia depende además del flujo de fotones.

Síntesis final

La salida aparece cuando la ganancia compensa pérdidas. $P_u$ marca la transición y $\eta_{s}$ gobierna el crecimiento posterior de $P_out$.