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El Láser

El Láser - Ciencia

¿Qué Es Un Láser?

Láser es un acrónimo en inglés: “light amplification by stimulated emission of radiation” lo que traducido al español significa “amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación”. Los láseres están presentes en mucha de la tecnología de nuestra vida cotidiana.

Podemos encontrar los láseres en muchos lugares. Están presentes en el hogar en los reproductores de CD y en el hospital, para las microcirugías; en la industria, para el corte de precisión de metales y otros materiales y en la inducción de reacciones de fusión nuclear; en las comunicaciones, como vía de transporte de información a lo largo de fibras ópticas; en la medición de longitudes y otras muchas aplicaciones. Estas aplicaciones son posibles debido a la característica única de la luz láser de ser particularmente monocromática y coherente.

 

Historia Del Láser

Todo comenzó cuando en 1915 Albert Einstein planteó el fenómeno de emisión estimulada en los átomos que, basándose en la ley de radiación de Max Planck, dice que si un átomo recibe luz de un fotón con la misma longitud de onda de la que puede emitir, el átomo es estimulado a emitir luz en ese instante pudiendo permanecer del mismo tamaño en una larga distancia y con la misma longitud de onda.

En 1928 otro físico alemán llamado Rudolf Ladenburg comenzó a trabajar con el gas neón y comprobó que la emisión estimulada de luz en este gas es posible pero todavía no había noticias del láser. Años más tarde, en el 1953 que un equipo dirigido por el científico estadounidense Charles Townes fabrica un dispositivo que funciona con los mismos principios físicos que el láser pero que en lugar de un haz de luz, genera uno de microondas. A este dispositivo lo llamaron Maser.

A partir de este momento, muchos científicos de todo el mundo trataron de fabricar el láser, no es hasta el 16 de mayo de 1960 en California que, el físico Theodore Maiman construye el primer láser utilizando como medio activo un cristal cilíndrico de rubí. Desde entonces se han creado muchos tipos de láser y se les han dado muchísimas aplicaciones:

-En 1969 se encuentra la primera aplicación industrial del láser al ser utilizado en la soldadura de los elementos de chapa en la fabricación de vehículos.

-En 1980 un grupo de físicos registran la primera emisión láser en el rango de los rayos x. En el mismo año, de comienza a comercializar el disco compacto donde un láser de baja potencia lee los datos codificados en forma de pequeños orificios puntos y rallas, 4 años después comienza a utilizarse para el almacenamiento masivo de datos.

-En 1994 comenzó a usarse para detectar vehículos con exceso de velocidad en 2006, científicos de intel descubren la forma de trabajar con un chip láser hecho con silicio que abre las puertas para el desarrollo de redes de comunicación. cada vez mas rápidas y eficientes

¿Cómo funciona?

Para comprender cómo funcionan los láseres hay que entender primero cómo se produce la emisión de luz a nivel de los átomos, un átomo se puede considerar como un núcleo alrededor del cual se mueven unos electrones con unas energías bien determinadas. Los electrones no pueden poseer cualquier valor de energía solamente unos valores definidos que se identifican como niveles. Entonces, un electrón puede pasar de un nivel de energía a otro emitiendo o absorbiendo una unidad de luz (llamada fotón) con una energía igual a la diferencia entre los dos niveles de la transición.

Cuando un electrón se encuentra en un nivel de energía elevado, tiende a volver espontáneamente a un nivel de energía inferior con emitiendo una cantidad determinada de luz. Esto es lo que se llama emisión espontánea y es la responsable de la mayor parte de la luz que vemos. Por otro lado, un fotón puede provocar la caída de un electrón a un nivel inferior si tiene una energía igual a la diferencia entre los dos niveles, en ese caso se emitirá un segundo fotón idéntico al que ha inducido la transición. Esta es la llamada emisión estimulada. El proceso contrario, donde el fotón absorbe energía provocando la subida de un electrón a un nivel de energía superior, se llama absorción estimulada.

El hecho de que la emisión estimulada produce dos fotones idénticos a partir de un fotón inicial es lo que permite amplificar la luz. Pero, para que sea posible amplificar la luz por emisión estimulada, es necesario además que en el medio activo (es un conjunto de átomos, que pueden excitarse de manera que se crea una situación de inversión de población, y puede obtenerse radiación electromagnética mediante emisión estimulada.) haya un número mayor de electrones en el nivel de energía superior que en el inferior; esto es lo que se llama inversión de población. Si por el contrario hubiera más electrones en el nivel inferior que en el superior, entonces predominaría la absorción, y el medio reduciría/amortiguaría la energía de la luz en vez de amplificarla.

La inversión de población es el “principio vital” de los láseres, y se consigue mediante el bombeo adecuado de ciertos materiales con niveles de energía en los cuales los electrones tardan un tiempo “largo” en desexcitarse por emisión espontánea, lo cual favorece precisamente la acumulación de electrones en el estado de energía superior.

 

Producción

Las condiciones necesarias para que se pueda producir un láser son:

1.- Se debe suministrarse energía desde el exterior al sistema.

2.- Se tiene que garantizar que la emisión estimulada se produce antes que la espontánea.

3.- Reducir la posibilidad de que los fotones emitidos escapen rápidamente del sistema. En la práctica este efecto se produce a través del uso de espejos.

 

Tipos

LáserMedio activoRango de frecuencia de emisiónUtilidadesHelio-NeonGasRojo– Metrología

– Lectores de códigos de barras.

Ion de ArGasVerde – Azul– Bombeo

– Espectáculos

CO2 Gas Infrarrojo – Corte

– Soldadura

– Cirugía

QuímicosGasInfrarrojo– Escudos antimisilesColoranteLíquido o SólidoIR-Visible-UV– EspectroscopíaRubíSólidoRojo– InvestigaciónSemiconductorSólidoInfrarrojo – Visible– Comunicaciones

– CD, DVD

– Punteros

– Bombeo

FibraSólidoInfrarrojo – Visible– Procesado de materiales

– Comunicaciones

– Espectroscopía

Electrones libres(**)Microondas – Rayos X– Investigación

Elementos Básicos De Un Láser

El láser típico consta de 3 elementos básicos: La cavidad láser, medio activo y bombeo.

-La cavidad láser:( también llamada cavidad óptica resonante)Existe en casi todos los dispositivos láser y sirve para mantener la luz circulando por el medio activo el mayor número de veces posible esto lo consiguen gracias a dos espejos, uno es el de alta reflectividad que consigue reflejar prácticamente el 100% de los rayos y otro llamado el acoplador de menor reflectividad el cual permite la salida de la radiación de la cavidad.

-El medio activo: medio material donde se produce la emisión estimulada. Puede ser de diversos materiales y es el que determina en mayor medida las propiedades de la luz láser, longitud de onda, potencia, etc.

-Bombeo: para que el medio activo pueda llevar a cabo este procesión estimulada, es necesario excitar sus niveles electrónicos o vibracionales de alguna manera mediante energía que puede ser de dos tipos: óptica, mediante una lámpara por ejemplo o electrónica mediante una corriente eléctrica. Debido a las múltiples pérdidas de energía en todos los procesos involucrados, la potencia de bombeo siempre es mayor a la potencia de emisión láser.

 

Aplicaciones

Médicas:

Al enfocar hacia un único punto microscópico el láser se convierte en un perfecto instrumento de corte, el cual puede actuar como un bisturí muy preciso para la cirugía delicada, cauterizando la herida al tiempo que corta que es  quemar el tejido alrededor de la incisión, sellando con ello los pequeños vasos sanguíneos para detener el sangrado. Una de las primeros tipos de operaciones en las que se utilizo fue en las de corrección de la miopía eliminando el exceso de curvatura del cristalino.

Industria téxtil:

Las cortadoras láser dan crédito de mantener competitiva a la industria textil de los EE.UU. en el mercado mundial. Las cortadoras de tela láser controladas por ordenador, se pueden programar para cortar 400 prendas de talla 6 y luego 700 prendas de talla 9 y eso supondría solo unos pocos cortes. La cortadora programada puede cortar docenas de cientos de grosores de telas, y puede cortar cada pieza de ropa de una simple pasada.

Impresoras láser:

El láser enfoca y escanea el objeto proyectándolo sobre un tambor el cual produce un patrón de cargas que es un espejo de las imágenes que se van a reproducir. El láser típico para esta aplicación produce una radiación que es de  a 760 nm de longitud de onda, justo en el infrarrojo.

Comunicación:

Los cables de fibra óptica son un importante medio de comunicación, debido en parte a que se pueden enviar múltiples señales con alta calidad y baja pérdida en la propagación de la luz a lo largo de la fibra. Las señales de luz se pueden modular con la información a enviar, por medio de  láseres al ser monocromáticos mas fácilmente.

Otras aplicaciones menos importantes y más de nuestro día a día sería los punteros láser que pueden utilizar los profesores o los cañones láser en discotecas o conciertos para hacer los efectos de luz mas espectaculares.

 

Conclusiones

Cuando se inventaron, en 1960, los láseres se calificaron como “una solución a la espera de un problema”. Desde entonces, se han vuelto omnipresentes y actualmente pueden encontrarse en miles de aplicaciones, en campos muy variados, como la electrónica de consumo, la tecnología de la información, la investigación científica, la medicina, la industria, la ingenieriía y el sector militar. Es realmente sorprendente este invento, que llegó para marcar una nueva época en la tecnología y resolver cientos de problemas actuales. La conclusión a la que hemos llegado tras realizar este trabajo es que el láser tan sólo acaba de comenzar y aún le queda mucho camino por recorrer, que sus aplicaciones actuales son sólo una muestra de lo que este portentoso aparato nos ofrecerá en un futuro cercano.

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Nica

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