Carrera:Ing. en Sistemas Computacionales

Materia:Fsica General

Tarea:Ensayo: Laser y sus aplicaciones

Maestro:Ing. Jesus Arturo Ayala Ruiz

Alumno:Amador Lizarraga Jose Demetrio

Octubre 2014

Introduccin

En el desarrollo de esta investigacin se expondrn la mayora de los tipos de lseres y su funcionamiento. Finalmente, se incluye una seccin donde se mencionan algunas de las aplicaciones ms importantes actuales o potenciales.

Cuando se invent el lser en 1960, se denomin como "una solucin buscando un problema a resolver", desde entonces se han vuelto omnipresentes, comenzaremos as diciendo que la palabra lser designa a todos aquellos dispositivos que generan un haz de luz coherente como consecuencia de una emisin inducida o estimulada, descubierto dicho comportamiento en 1916 por Albert Einstein; aunque de la historia de la Fsica Moderna se conoce que el primer lser fue desarrollado por Maiman en 1960 (utilizando como medio activo un cristal cilndrico de rub). Su nombre se debe a un acrnimo del ingls LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - "Amplificacin de Luz por Emisin Estimulada de Radiacin").

Existen numerosos tipos de lseres que se pueden clasificar de muy diversas formas siendo la ms comn la que se refiere a su medio activo o conjunto de tomos o molculas que pueden excitarse, de manera que se crea una situacin de inversin de poblacin obtenindose radiacin electromagntica mediante emisin estimulada. Este medio puede encontrarse en cualquier estado de la materia: slido, lquido, gas o plasma. Otra de las clasificaciones se refiere a que los lseres pueden ser de estado slido, de colorantes, de gases como por ejemplo el de CO2; el de diodos semiconductores y el lser de electrones.

Surgimiento del rayo lser.

Albert Einstein estableci, en 1916, los fundamentos para desarrollar el lser y sus predecesores, lo mseres, usando la ley de radiacin de Max Planck que se basa en los conceptos de emisin inducida y espontnea de radiacin, esta teora fue olvidada hasta despus de la Segunda Guerra Mundial. Luego en 1953, Charles H. Townes y un grupo de estudiantes de posgrado, confeccionaron el primer mser, este dispositivo funcionaba mediante los mismos principios fsicos que el lser pero produce un haz coherente de microondas en lugar de un haz de luz que pueda verse. Este lser de Townes, no poda funcionar de forma continua. Existen varios eventos histricos que se relacionan con la historia del lser; en 1917, el fsico Albert Einstein fund el concepto de emisin estimulada, el mismo, luego dio paso al desarrollo de la luz lser. En 1947, Los Fsicos R. C. Rutherford y Willis E. Lamb, demostraron la emisin del lser por primera vez; en 1951 aparece Townes con sus asistentes de posgrado, quienes inventan el mser, los mismos son galardonados con el premio Nobel en Fsica en el ao 1964.

En 1958, los fsicos Charles H. Townes y Arthur L. Schawlow, fueron los primeros en publicar un artculo detallado sobre las aplicaciones de los mseres ticos; en 1960, ambos presentan su tecnologa lser y en base a sus descubrimientos los fsicos Mirek Stevenson y Peter P. Sorokin, desarrollaron el primer lser de uranio. . En 1962 son inventados los lser semiconductores Investigadores de GE, IBM y del Laboratorio Lincoln del MIT, descubren que los dispositivos diodos basados en el semiconductor arseniuro de galio (GaAs) convierten la energa elctrica en luz. En 1969, se descubre la primera aplicacin industrial del lser al ser empleado en soldaduras de los elementos de chapa en el armado de vehculos. En 1980, un grupo de fsicos pertenecientes a la Universidad de Hull registran la primer emisin de lser en el campo de los rayos X. En 1985 se comienzan a vender en todas partes los primeros discos compactos en donde un haz de lser de baja potencia se encarga de leer los datos que fueron codificados y puestos dentro de este disco. Luego esa seal analgica permitir escuchar los archivos musicales. Billones de lser semiconductores fueron fabricados cada ao para ser usados en telecomunicaciones. Por ltimo en el ao 2003, la aparicin del escaneo lser permite al museo britnico realizar exhibiciones virtuales adems de poder grabar gigabytes de informacin en las microscpicas cavidades de un DVD o CD.

Caractersticas generales de la luz lser. En estos momentos estamos en condiciones de comenzar el estudio de las caractersticas fundamentales de la radiacin lser que se caracteriza por una serie de propiedades, diferentes de cualquier otra fuente de radiacin electromagntica, como son:

1. Monocromaticidad.Emite una radiacin electromagntica de una sola longitud de onda, en oposicin a las fuentes convencionales como las lmparas incandescentes (bombillas comunes) que emiten en un rango ms amplio, entre el visible y el infrarrojo, de ah que desprendan calor. La longitud de onda, en el rango del espectro electromagntico de la luz visible, se identifica por los diferentes colores (rojo, naranja, amarillo, verde, azul, violeta), estando la luz blanca compuesta por todos ellos. Esto se observa fcilmente al hacer pasar un haz de luz blanca a travs de un prisma.

2. Coherencia espacial o direccionalidad.La radiacin lser tiene una divergencia muy pequea, es decir, puede ser proyectado a largas distancias sin que el haz se abra o disemine la misma cantidad de energa en un rea mayor. Nota: Esta propiedad se utiliz para calcular la longitud entre la Tierra y la Luna, al enviar un haz lser hacia la Luna, donde rebot sobre un pequeo espejo situado en su superficie, y ste fue medido en la Tierra por un telescopio.

3. Coherencia temporal.La luz lser se transmite de modo paralelo en una nica direccin debido a su naturaleza de radiacin estimulada, al estar constituido el haz lser con rayos de la misma fase, frecuencia y amplitud.

Fsica del laser

De forma general los lseres constan de un medio activo capaz de generar el lser. Hay cuatro procesos bsicos que se producen en la generacin del lser, denominados bombeo, emisin espontnea de radiacin, emisin estimulada de radiacin y absorcin.

BombeoSe provoca mediante una fuente de radiacin como puede ser una lmpara, el paso de una corriente elctrica o el uso de cualquier otro tipo de fuente energtica que provoque una emisin.

Emisin espontnea de radiacinLos electrones que vuelven al estado fundamental emiten fotones. Es un proceso aleatorio y la radiacin resultante est formada por fotones que se desplazan en distintas direcciones y con fases distintas generndose una radiacin monocromtica incoherente.Emisin estimulada de radiacinLa emisin estimulada, base de la generacin de radiacin de un lser, se produce cuando un tomo en estado excitado recibe un estmulo externo que lo lleva a emitir fotones y as retornar a un estado menos excitado. El estmulo en cuestin proviene de la llegada de un fotn con energa similar a la diferencia de energa entre los dos estados. Los fotones as emitidos por el tomo estimulado poseen fase, energa y direccin similares a las del fotn externo que les dio origen. La emisin estimulada descrita es la raz de muchas de las caractersticas de la luz lser. No slo produce luz coherente y monocroma, sino que tambin "amplifica" la emisin de luz, ya que por cada fotn que incide sobre un tomo excitado se genera otro fotn.

AbsorcinProceso mediante el cual se absorbe un fotn. El sistema atmico se excita a un estado de energa ms alto, pasando un electrn al estado metaestable. Este fenmeno compite con el de la emisin estimulada de radiacin.

Tipos de laser

1. El lser de Rub Recordemos que fue el primer lser y que fue construido por Theodore Maiman en 1960, quien us como medio activo un cristal de rub sinttico. El rub es una piedra preciosa formada por cristales de xido de aluminio Al2O3, que contiene una pequea concentracin de alrededor de 0.05% de impurezas de xido de cromo Cr2O3 (el xido de aluminio puro, Al2O3, se llama zafiro). La presencia del xido de cromo hace que el transparente cristal puro de xido de aluminio se torne rosado y llegue a ser hasta rojizo si la concentracin de xido de cromo aumenta. La forma geomtrica tpica que adopta el rub usado en un lser es la de unas barras cilndricas de 1 a 15 mm de radio y algunos centmetros de largo.

2. Lser de Helio-Nen El lser de helio-nen fue el primer lser de gas que se construy. Actualmente sigue siendo muy til y se emplea con mucha frecuencia. Los centros activos de este lser son los tomos de nen, pero la excitacin de stos se realiza a travs de los tomos de helio. Una mezcla tpica de He-Ne para estos lseres contiene siete partes de helio por una parte de nen.

3. El lser de Argn ionizado Las transiciones radiactivas entre niveles altamente excitados de gases nobles se conocen desde hace largo tiempo, y la oscilacin lser en este medio activo data desde la dcada de los sesenta. Entre estos lseres, el de argn ionizado es el que ms se utiliza, debido a sus intensas lneas de emisin en la regin azul-verde del espectro electromagntico y a la relativa alta potencia continua que se puede obtener de l.

4. Lseres de CO2El lser de bixido de carbono CO2 es el ejemplo ms importante de los lseres moleculares. El medio activo en este lser es una mezcla de bixido de carbono (CO2), nitrgeno (N2) y helio (He), aunque las transiciones lser se llevan a cabo en los niveles energticos del CO2. Como en seguida veremos, el N2 y el He son importantes para los procesos de excitacin y desexcitacin de la molcula de CO2.

5. Lser de gas dinmico de CO2 La diferencia fundamental entre un lser de gas dinmico y un lser convencional de CO2 radica en el mtodo de bombeo empleado. En el lser de gas dinmico la radiacin lser es producida al enfriar rpidamente una mezcla de gas precalentado que fluye a lo largo de una tobera hasta la cavidad del resonador. Por las altas potencias que es capaz de proporcionar se ha convertido en una importante alternativa para ciertas aplicaciones industriales.

6. Lser de soluciones lquidas orgnicas El medio activo en este tipo de lseres est compuesto por lquidos en los que se han disuelto compuestos orgnicos, entendidos estos ltimos cmo los hidrocarburos y sus derivados. Estos lseres son bombeados pticamente y como en seguida veremos, una de sus ms importantes caractersticas radica en que pueden emitir radiacin lser en anchas bandas de longitud de onda, es decir que son "sintonizables".

7. Lseres de semiconductores Los lseres de semiconductores son los lseres ms eficientes, baratos y pequeos que es posible obtener en la actualidad. Desde su invencin en 1962 se han mantenido como lderes en muchas aplicaciones cientfico-tecnolgicas y su continua produccin masiva nos da un inicio de que esta situacin se prolongar por mucho tiempo.

8. Lser de electrones libres Todos los sistemas lser anteriormente vistos basan su funcionamiento en la inversin de poblacin lograda en un medio activo atmico o molecular. Por tanto, la longitud de onda a la cual el lser emite est inevitablemente determinada por los centros activos contenidos en la cavidad lser, es decir, por las transiciones energticas permitidas a los tomos o molculas de dicho medio. Un lser basado en la emisin de radiacin estimulada por electrones libres no tiene las limitaciones propias de los lseres anteriormente vistos, pues los electrones libres no estn sujetos a la existencia de transiciones energticas particulares y por lo tanto pueden generar radiacin electromagntica en cualquier longitud de onda del espectro. Este tipo de lseres utilizan como medio activo un haz de electrones que se mueve con velocidades cercanas a la de la luz. Debido a esto se le llama haz relativista de electrones. Podemos describir un lser de electrones libres como un instrumento que convierte la energa cintica de un haz relativista de electrones en radiacin lser.

Aplicaciones del lser

Debido a las propiedades particulares del haz de radiacin luminosa con su gran potencia concentrada (el lser), hacen de l una herramienta ideal en muchas aplicaciones donde se precise de una fuente controlada y localizada de energa. Si a este factor diferenciador inicial se le suma la facilidad para su control automtico y regulacin, se observa cmo se ampla el campo de utilizacin a otros usos en los que la precisin, la minimizacin de daos colaterales y la menor modificacin de la caractersticas del material circundante y de sus dimensiones son importantes. De ah el amplsimo rango de aplicaciones.

MedicinaEl lser en la medicina es cada vez ms usado al actuar muy selectivamente sobre la lesin, daando mnimamente los tejidos adyacentes. Por eso produce muy pocos efectos secundarios en cuanto a destruccin de otro tejido sano de su entorno e inflamacin, as como presentar una esterilizacin completa al no ser necesario instrumental quirrjico. En la dermatologa, stos pueden eliminar casi todos los defectos de la piel bajo anestesia local. En oftalmologa son utilizados los lseres de excmero, que eliminan capas submicromtricas de la crnea, modificando su curvatura. A menores longitudes de onda el cristalino y la crnea absorben la radiacin y a mayores longitudes de onda son las molculas de agua presentes en el ojo las que absorben la luz. Por medio de radiacin lser (en este caso con lser de argn ionizado) es posible en la actualidad tratar casos de desprendimiento de retina. El haz lser es focalizado en la retina por el propio cristalino del paciente. Los lseres de He-Ne han sido utilizados con xito en dermatologa para el tratamiento de manchas en la piel, o como auxiliares para estimular la regeneracin de tejido en cicatrices.

Computacin Aplicaciones ms cotidianas de los sistemas lser son, por ejemplo, el lector del cdigo de barras, el almacenamiento ptico y la lectura de informacin digital en discos compactos (CD) o en discos verstiles digitales (DVD), que se diferencia en que stos ltimos utilizan una longitud de onda ms corta (emplean lser azul en vez de rojo). Otra de las aplicaciones son las fotocopiadoras e impresoras lser, o las comunicaciones mediante fibra ptica. Las aplicaciones para un futuro prximo son los ordenadores cunticos u pticos que sern capaces de procesar la informacin a la velocidad de la luz al ir los impulsos elctricos por pulsos de luz proporcionados por sistemas lser; muchos de los componentes electrnicos que tienen en su estructura las computadoras, como por ejemplo resistencias, en las cuales es necesario volatilizar muy pequeas cantidades de material para fabricar resistencias de muy alta precisin.

HolografaEn la holografa, las ondas se solapan en el espacio o se combinan para anularse (interferencia destructiva) o para sumarse (interferencia constructiva) segn la relacin entre sus fases. Debido a la relacin especial entre los fotones del haz del lser, los lseres son considerados el mejor ejemplo conocido de efectos de interferencia representados en los interfermetros y hologramas. La holografa es utilizada para proporcionar imgenes en tres dimensiones. Tambin es utilizada como sistema de seguridad en las tarjetas de crdito.

Escaneo 3DEl lser en el escaneo 3D tambin es comnmente usado en la arqueologa, arquitectura, construccin, entre otros, para realizar modelos digitales a escala de algn monumento o edificacin. El propsito de un escner 3D es, generalmente, el de crear una nube de puntos a partir de muestras geomtricas en la superficie del objeto. Estos puntos se pueden usar entonces para extrapolar la forma del objeto (un proceso llamado reconstruccin). Si la informacin de color se incluye en cada uno de los puntos, entonces los colores en la superficie del objeto se pueden determinar tambin.

Los escneres 3D son distintos a las cmaras. Al igual que stas, tienen un campo de visin en forma de cono, pero mientras una cmara rene informacin de color acerca de las superficies dentro de su campo de visin, los escneres 3D renen informacin acerca de su geometra. El modelo obtenido por un escner 3D describe la posicin en el espacio tridimensional de cada punto analizado.

Otras aplicaciones del lser. Un rayo lser puede viajar grandes distancias con una pequea reduccin de la intensidad de la seal y debido a su alta frecuencia puede transportar 1.000 veces ms informacin que las microondas, por lo que son idneos para ser utilizados como medio de comunicacin en el espacio.

Ms an, el lser podra suponer la revolucin definitiva en los sistemas de propulsin area. En 2003 la NASA consigui hacer volar indefinidamente un pequeo avin de 300 gramos cuya energa era proporcionada desde tierra mediante lser. Cientficos japoneses hicieron lo propio con un avin de papel, si bien utilizaron el lser para evaporar agua que serva de propelente. Estos aviones ligeros podran ser utilizados como alternativa a los satlites artificiales para establecer telecomunicaciones en zonas de difcil acceso. Pero de desarrollarse ms esta tecnologa, podra suponer una tremenda reduccin del lastre de los vuelos convencionales, al eliminar el combustible, tal y como ya se planea hacer en los viajes espaciales.

ltimamente, como no poda ser de otra forma, se realizan esfuerzos para incluirlo en el uso militar como sustitutivo de los proyectiles convencionales y los msiles. Existe ya un prototipo de lser aerotransportado, montado en un Boeing 747 y las Fuerzas Areas de Estados Unidos proyectan cazas armados con lser de alta potencia para los prximos aos. El primer prototipo, de apenas un kilovatio, pesaba 750 kilogramos, algo perfectamente adaptable a los modernos aviones de combate. Mientras que el gran lser a bordo de aviones como el Boeing servira como arma de precisin durante un bombardeo, los menos potentes pero ms ligeros montados en cazas podran ser una contraarma muy efectiva contra msiles.

En definitiva, su uso est extremadamente extendido y continuamente se le descubren nuevas aplicaciones siempre sorprendentes, como su participacin en los complejos procesos de enfriamiento a muy bajas temperaturas. La medicin de distancias con alta velocidad y precisin es otra de las aplicaciones del lser a la rama militar inmediatamente despus de que se inventara el lser, para el lanzamiento de artillera o para el clculo de la distancia entre la Luna y la Tierra (384.403 Km.), con una exactitud de tan slo 1 milmetro. Tambin es utilizado en el seguimiento de un blanco en movimiento al viajar el haz a la velocidad de la luz.

Los lseres de argn ionizado han sido extensamente utilizados en el estudio de la cintica de reacciones qumicas y en la excitacin selectiva de stas. Hay algunas reacciones qumicas que slo se producen en presencia de radiacin lser o cuya rapidez puede incrementarse notablemente cuando los reactantes son irradiados con luz lser de longitud de onda apropiada. En el primer caso podemos obtener sustancias que de otro modo sera difcil obtener y en el segundo caso se tiene la posibilidad de incrementar la productividad de algunas industrias qumicas.

Conclusiones

Las aplicaciones cientficas del lser son muy variadas. Difcilmente un solo libro dedicado tan slo a este tema sera suficiente para mencionarlas, las mismas se pueden encontrar como hemos visto ya, en cualquier sector de la sociedad actual. Estas incluyen campos tan dispares como la electrnica de consumo, las tecnologas de la informacin (informtica), anlisis en ciencia o mtodos de diagnstico en medicina.

Por tanto las tareas desempeadas por los lseres van de lo mundano a lo esotrico si bien comparten un elemento comn: son difciles o totalmente imposibles con cualquier otro instrumento. Aunque por lo general los lseres son aparatos relativamente caros existe un incremento elevado de su utilizacin a nivel mundial, debido a su propiedad de suministrar la forma y la cantidad de energa requerida en el lugar deseado.

Bibliografa

-Chang, Williams: Principles of Quantum Electronics; Lasers: Theory and Applications, Addison Wesley, Massachusetts, 1963.-Fisica Moderna (Teoria y Problemas) Tomo I Mesa, Apuntes para un libro de Texto. Pp264-271. Autores: Lazaro Benavides l, Angel Augier c. Y amparo Patio Castro -http://www.um.es/LEQ/laser/index.htm-http://html.rincondelvago.com/rayo-laser.html-http://www.efisioterapia.net/articulos/accesible.php?id=179