¿Qué determina la frecuencia del láser?

¿Cómo es que esta frecuencia crea todos estos modos?

La frecuencia de salida del láser está determinada por dos cosas: el espectro de ganancia y la estructura del modo de cavidad.

En su ejemplo, el espectro de ganancia es la línea azul. Esto está determinado por la diferencia en los niveles de energía, como dijiste. Pero los niveles de energía no son tan estrechos como podrías pensar. A veces, lo que consideramos un único nivel de energía es en realidad una estrecha banda de niveles causada por algún número cuántico de orden superior de las partículas involucradas. En un láser de gas, diferentes partículas en el medio de ganancia interactúan con diferentes bandas de energía fotónica porque las partículas se mueven en diferentes direcciones (y la relatividad dice que un fotón en particular parece tener una energía diferente a una partícula que se mueve con una velocidad diferente). Además, existe un límite fundamental en la estrechez del espectro de ganancia debido al principio de incertidumbre en la forma de tiempo de energía

Los modos de cavidad tienden a seleccionar una "rebanada estrecha" del espectro de ganancia donde se puede satisfacer la ecuación del láser (la ganancia de ida y vuelta excede la pérdida). Sin embargo, incluso las líneas de modo no son perfectamente estrechas. Los espejos no son perfectamente planos ni perfectamente reflectantes, el índice de refracción en la cavidad no es perfectamente uniforme o constante en el tiempo, etc.

Dicho esto, el espectro en su diagrama final no es fácil de lograr. Por lo general, las partículas en el medio de ganancia son todas una población, y esto lleva a que un solo modo domine la salida, incluso si varios modos se superponen a la región de ganancia. Esto se debe a que cuando un modo comienza a funcionar, las partículas comienzan a descender al nivel de energía más bajo debido a la emisión estimulada. Entonces hay menos partículas excitadas para apoyar el láser de otros modos. Luego, la retroalimentación positiva tiende a crear un modo fuertemente dominante.

El espectro de salida en su diagrama solo es posible si hay algo en el sistema de modo que las partículas que soportan la emisión de láser en un modo no sean las mismas que las que soportan la emisión de láser en los otros modos de emisión.

¿Qué significan realmente estos modos? Entonces, las ondas estacionarias dentro de la cavidad tendrán una frecuencia propia: ¿es esta la frecuencia del rayo láser de salida?

Generalmente, el espectro de salida del láser será el mismo que el espectro de la luz en la cavidad.

Si existen todas estas frecuencias, ¿por qué no podemos verlas cuando enciendo un láser? ¿Por qué le llaman monocromático a un láser si existen todas estas frecuencias?

En general, incluso el espectro de ganancia es bastante estrecho, en comparación con toda la gama de frecuencias que consideramos "visibles" o "IR". Entonces, para muchos propósitos, todavía consideraríamos esto monocromático. Pero también, el tipo de espectro que mostraste no es tan común. Es más común tener solo un modo de salida dominante (o 2 o 3, con un poco de esfuerzo de diseño necesario para suprimir los modos laterales para obtener una salida verdaderamente monocromática)

¿Se sabe que la colección de estos modos bajo el ancho de banda de ganancia del láser era un peine de frecuencia? En esencia, ¿no son todos los láseres entonces peines de frecuencia?

Si hay muchos modos de láser, entonces podemos llamarlo peine de frecuencia. Pero se necesita un esfuerzo de diseño sustancial para diseñar un láser con muchos modos que emitan láser con una potencia de salida casi igual. El espectro que mostró no es un espectro láser "típico", pero podría ser la salida de un láser especialmente diseñado para tener esta propiedad.