Cavidad externa en un láser de diodo simple de 1 watio a 445nm

Motivo del experimento:

A raíz de ver un video en Youtube http://www.youtube.com/watch?v=_ZpOz510gtE tuve curiosidad por el fenómeno observado en el cual una parte de la potencia de salida del láser que refleja en una rejilla de difracción vuelve a entrar en la cavidad para realimentar y variar la ganancia del mismo.

Referencias del fenomeno:

Investigando un poco por la web, se puede ver como el experimento tiene sus aplicaciones en la sintonía variable en lásers compactos, entre otras. http://laser.cheng.cam.ac.uk/wiki/index.php/Extended_Cavity_Diode_Laser_Design

Materiales necesarios para relizar el experimento:

- Diodo láser, cualquier modelo puede valer, pero para el caso se ha utilizado un láser de diodo de 1 watio a 445nm.
- Rejilla de difracción con ajuste fino en ejes X, Y. -> En su defecto sirve un trozo de CD montado en algún soporte que sea ajustable y en una mesa estable. // También puede servir el ajuste desde el láser en un expejo fijo parcialmente reflectante.
- Banco óptico estable, o en su defecto algun soporte muy rígido y bien plano.

Procedimiento:

En mi caso no he hecho servir una rejilla de difracción, solo un espejo dieléctrico parcialmente reflectante.

El procedimiento es tan simple como encender el diodo láser y realimentar el haz hacia el interior con un haz sintonizado de la rejilla de difracción.

El proceso se puede hacer a pulso para probar con un trozo de CD y observar que justo en el momento que refleja al interior, la potencia óptica de salida aumenta. Pero hay que hacer funcionar al láser un poco por encima del umbral de funcionamiento como láser, así se puede observar mejor el fenómeno y las pérdidas por la mala reflectividad del CD se compensan.

Si se usa un espejo dieléctrico parcialmente reflectante y en una mesa de trabajo correcta, entonces se puede observar el fenómeno muy fácilmente pero hasta cierto nivel de potencia.

En el caso del experimento se ha ajustado el láser con tres puntos de apoyo para reflejar en el espejo , todo ello montado encima de una pequeña mesa de aluminio.

Una foto del montaje:

En la derecha la pequeña mesa con el espejo y el diodo láser. En la izquierda el medidor de potencia (bolómetro casero).

Y un video para ver el fenómeno:

http://www.youtube.com/watch?v=trSAte6cZ4k

Análisis y estudio de las mediciones:

Para comprobar el fenómeno se han tomado mediciones en la intensidad del láser y la potencia óptica de salida del láser.
Se han puesto en una tabla y se han trazado los diferentes gráficos que muestran lo siguiente:

El primer gráfico muestra la potencia de salida del láser de 1 watio 445nm que puede trabajar hasta 1,2 watios con la intensidad que marca. Se muestra la linea de tendencia lineal de potencia respecto intensidad que circula por el láser.
Nota: Si hiciéramos más mediciones notaríamos que a partir de 1200mA la linea de tendencia se separa del valor real, por que el láser empieza a saturar el medio y deja de emitir potencia proporcionalmente, si siguieramos aumentando la intensidad podríamos estropearlo.

El segundo gráfico compara la cavidad simple en puntos azules con la cavidad externa en rojo.
En el vídeo se observa como aumenta la potencia del láser al enfocar el espejo justo en la cavidad, pero por las mediciones no parece que haya mucha diferencia, quizás se note mejoría en el rendimiento por debajo de los 230mW como se ve numérica y gráficamente.
Por encima de cierta intensidad, el medio láser se satura y no hay más ganancia.

El tercer gráfico muestra lo que pasa entre la zona de emisión espontanea (como diodo led normal) y la zona de emisión estimulada (como láser).
La diferencia en términos ópticos es clara (ver último gráfico), por que pasa de emitir como espontanea a estimulada (láser) antes de que llegue al umbral de funcionamiento normal. Con la cavidad resonante externa en términos fáciles de explicar, implica que la luz debe hacer más pasadas por el medio activo y llega a producir mucho antes la emisión estimulada (emisión láser).
En el gráfico igualmente los puntos en azúl representa la cavidad normal, y en rojo la cavidad resonante externa.

Para el espejo de la cavidad resonante se ha medido una reflectancia experimental de un 26% a 445 nm.

Conclusiones:

Es curioso como sucede el fenómeno de cavidad resonante, sabiendo que hay un espejo semireflectante en la propia cavidad interna, por lo que añadiendo un externo no debería afectar, pero a baja potencia las pérdidas en la propia cavidad hacen que no se llegue al punto de emisión estimulada, por lo que variando el espejo de salida de más reflectancia se aumenta el número de pasadas hasta que se consigue amplificar por encima de la emisión espontanea.

Esto es útil a la hora de diseñar un láser, sabiendo que la potencia para transmitir al medio láser es baja, se opta por espejo de salida de alta reflectancia, de esta forma la luz debe viajar más veces para conseguir la emisión estimulada.
Por el contrario, si diseñamos un láser que se va a excitar con una fuente de mucha potencia pues el espejo de salida deberá ser de poca reflectancia para que el medio no se sature antes de obtener emisión estimulada en la salida.

Curiosidades por experimentar:

Si trabajamos con el láser en baja potencia, podríamos insertar un q-switch y pasar de modo cotinuo a pulsado, y podríamos obtener potencias de pico altas para experimentar con láser de colorantes.
Pero falta que las pérdidas en el q-switch y el espejo externo permitan este modo de trabajo. Se puede intentar.

Dudas y comentarios a alfonatr@hotmail.com

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