Trabajo final laser electrónico
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CONTENIDO
1 Un poco de historia 2
2 Qué es un laser, componentes y funcionamiento 5
2.1 ELEMENTOS BÁSICOS 5
2.1.1 Cavidad láser 6
2.1.2 Medio activo 7
2.1.3 Energía de bombeo 8
2.2 Mecanismos de la acción láser 9
2.2.1 ABSORCIÓN DEL BOMBEO Y TRANSICIONES NO RADIACTIVAS 9
2.2.2 EMISIÓN ESTIMULADA 9
3 Aplicaciones 10
3.1 APLICACIONES MÉDICAS 10
3.2 CORTE Y SOLDADURA 11
3.3 SERVICIOS DE TELECOMUNICACIÓN 12
3.4 REFRIGERACIÓN 12
3.5 ESCÁNER 15
3.6 ALMACENAMIENTO DE DATOS 15
3.7 TOPOGRAFÍA 17
3.8 ESPECTÁCULO 19
3.9 USO MILITAR 20
3.10 INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA 20
4 BIBLIOGRAFÍA 22
1 UN POCO DE HISTORIA
En 1916, Albert Einstein estableció los fundamentos para el desarrollo
de los láseres y de sus predecesores, los máseres
(que emiten microondas), utilizando la ley de
radiación de Max Planck basada en los conceptos
de emisión espontánea e inducida de radiación;
lo cual se conoce como el proceso por el cual un
átomo, molécula o núcleo, en un estado
excitado, pasa a un estado de energía más bajo,
emitiendo un fotón dado que se cumple el
principio de conservación de la energía.
En 1953, Charles H. Townes y los estudiantes de postgrado James P.
Gordon y Herbert J. Zeiger construyeron el primer máser: un dispositivo
que funcionaba con los mismos principios físicos que el láser pero que
produce un haz coherente de
microondas. El máser de Townes era
incapaz de funcionar en continuo.
Nikolái Básov y Aleksandr Prójorov
de la Unión Soviética trabajaron
independientemente en el oscilador
cuántico y resolvieron el problema
de obtener un máser de salida de
luz continua, utilizando sistemas con
más de dos niveles de energía, por
lo cual fueron obsequiados con el
Premio Nobel de Física.
El primer láser fue uno de rubí y funcionó por primera vez el 16 de
mayo de 1960. Fue construido por
Theodore Maiman. El hecho de que sus
resultados se publicaran con algún
retraso en Nature, dio tiempo a la
puesta en marcha de otros desarrollos
paralelos. Por este motivo, Townes y
Arthur Leonard Schawlow también son
considerados inventores del láser, el
cual patentaron en 1960. Dos años
después, Robert Hall inventa el láser
generado por semiconductor. En 1969 se encuentra la primera
aplicación industrial del láser al ser utilizado en las soldaduras de los
elementos de chapa en la fabricación de vehículos y, al año siguiente
Gordon Gould patenta otras muchas aplicaciones prácticas para el
láser.
El 16 de mayo de 1980, un grupo de físicos de la Universidad de Hull
liderados por Geoffrey Pert registran la primera emisión láser en el
rango de los rayos X. Pocos meses después se comienza a comercializar
el disco compacto, donde un haz láser de baja potencia «lee» los datos
codificados en forma de pequeños orificios (puntos y rayas) sobre un
disco óptico con una cara reflectante. Posteriormente esa secuencia de
datos digitales se transforma en una señal analógica permitiendo la
escucha de los archivos musicales.
Ya en el siglo XXI, científicos de la Universidad de St. Andrews crean un
láser que puede manipular objetos muy pequeños. Al mismo tiempo,
científicos japoneses crean objetos del tamaño de un glóbulo rojo
utilizando el láser. En 2002, científicos australianos «teletransportan»
con éxito un haz de luz láser de un lugar a otro. Dos años después el
escáner láser permite al Museo Británico efectuar exhibiciones
virtuales.
En 2006, científicos de Intel descubren la forma de trabajar con un chip
láser hecho con silicio abriendo las puertas para el desarrollo de redes
de comunicaciones mucho más rápidas y eficientes.
2 QUÉ ES UN LASER, COMPONENTES Y FUNCIONAMIENTO
Un láser es un dispositivo óptico basado en la mecánica cuántica que genera un
haz luminoso de una sola frecuencia, monocromático, coherente y muy intenso,
mediante la estimulación eléctrica o térmica de los átomos, moléculas o iones de
un material.
2.1 ELEMENTOS BÁSICOS
Un láser típico consta de tres elementos básicos de operación. Una cavidad óptica
resonante, en la que la luz puede circular, que consta habitualmente de un par de
espejos de los cuales uno es de alta reflectancia (cercana al 100 %) y otro
conocido como acoplador, que tiene una reflectancia menor y que permite la
salida de la radiación láser de la cavidad.
Dentro de esta cavidad resonante se sitúa un medio activo con ganancia óptica,
que puede ser sólido, líquido o gaseoso (habitualmente el gas se encontrará en
estado de plasma parcialmente ionizado) que es el encargado de amplificar la luz.
Para poder amplificar la luz, este medio activo necesita un cierto aporte de
energía, llamada comúnmente bombeo. Este bombeo es generalmente un haz de
luz (bombeo óptico) o una corriente eléctrica (bombeo eléctrico).
2.1.1 Cavidad láser
Sirve para mantener la luz circulando a través del medio activo el mayor número
de veces posible. Generalmente está compuesta de dos espejos dieléctricos que
permiten reflectividades controladas que pueden ser muy altas para
determinadas longitudes de onda.
El espejo de alta reflectividad refleja cerca del 100 % de la luz que recibe y el
espejo acoplador o de salida, un porcentaje ligeramente menor. Estos espejos
pueden ser planos o con determinada curvatura, que cambia su régimen de
estabilidad.
Según el tipo de láser, estos espejos se pueden construir en soportes de vidrio o
cristales independientes o en el caso de algunos láseres de estado sólido pueden
construirse directamente en las caras del medio activo, disminuyendo las
necesidades de alineación posterior y las pérdidas por reflexión en las caras del
medio activo.
Algunos láseres de excímero o la mayoría de los láser de nitrógeno, no utilizan
una cavidad propiamente dicha, en lugar de ello un sólo espejo reflector se utiliza
para dirigir la luz hacia la apertura de salida. Otros láser como los construidos en
microcavidades ópticas emplean fenómenos como la reflexión total interna para
confinar la luz sin utilizar espejos.
2.1.2 Medio activo
El medio activo es el medio material donde se produce la amplificación óptica.
Puede ser de muy diversos materiales y es el que determina en mayor medida las
propiedades de la luz láser, longitud de onda, emisión contínua o pulsada,
potencia, etc.
El medio activo es donde ocurren los procesos de excitación (electrónica o de
estados vibracionales) mediante bombeo de energía, emisión espontánea y
emisión estimulada de radiación. Para que se dé la condición láser, es necesario
que la ganancia óptica del medio activo sea inferior a las pérdidas de la cavidad
más las pérdidas del medio.
Dado que la ganancia óptica es el factor limitante en la eficiencia del láser, se
tiende a buscar medios materiales que la maximicen, minimizando las pérdidas,
es por esto que si bien casi cualquier material puede utilizarse como medio activo,
sólo algunas decenas de materiales son utilizados eficientemente para producir
láseres.
Con mucha diferencia, los láseres más abundantes en el mundo son los de
semiconductor. Pero también son muy comunes los láseres de estado sólido y en
menos medida los de gas. Otros medios son utilizados principalmente en
investigación o en aplicaciones industriales o médicas muy concretas.
2.1.3 Energía de bombeo
Para que el medio activo pueda amplificar la radiación, es necesario excitar sus
niveles electrónicos o vibracionales de alguna manera. Comúnmente un haz de luz
(bombeo óptico) de una lámpara de descarga u otro láser o una corriente
eléctrica (bombeo eléctrico) son empleados para alimentar al medio activo con la
energía necesaria.
El bombeo óptico se utiliza habitualmente en láseres de estado sólido (cristales y
vidrios) y láseres de colorante (líquidos y algunos polímeros) y el bombeo
eléctrico es el preferido en láseres de semiconductor y de gas. En algunas raras
ocasiones se utilizan otros esquemas de bombeo que le dan su nombre, por
ejemplo a los láseres químicos o láseres de bombeo nuclear que utilizan la
energía de la fisión nuclear.
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.
2.2 MECANISMOS DE LA ACCIÓN LÁSER
2.2.1 ABSORCIÓN DEL BOMBEO Y TRANSICIONES NO RADIACTIVAS
En el estado inicial, la mayoría de los electrones se encuentran en el Estado
fundamental y son excitados mediante un haz de luz de bombeo que contiene
energía en las bandas de absorción del neodimio. Los electrones excitados en
varios niveles se desexcitan rápidamente de forma no radiativa hacia un nivel
metaestable, que en el caso del neodimio es el 4F3/2 donde permanece un
tiempo relativamente largo, decayendo lentamente al nivel fundamental y al nivel
4I11/2. Si se cumplen ciertas condiciones en el material y la potencia de bombeo,
es posible que se produzca la inversión de población, esto es, que existan más
átomos excitados en el nivel 4F3/2 que los que están en el nivel inferior 4 4I11/2
2.2.2 EMISIÓN ESTIMULADA
Desde el nivel metaestable 4F3/2, pueden desexcitarse espontáneamente algunos
electrones que producen una emisión de luz a 1 064 nm. Algunos de éstos, se
emiten en el ángulo correcto para reflejarse por los espejos de la cavidad un
número elevado de veces. Estos fotones que se reflejan con el ángulo correcto
pasan varias cerca de átomos excitados de neodimio y producen la emisión
estimulada de radiación.
Si el medio activo se encuentra en la condición de inversión de población y las
pérdidas de la cavidad son inferiores a la ganancia del medio activo, ocurre que al
reflejarse en las paredes de la cavidad se produce una amplificación del primer
fotón que se emitió espontáneamente. Tras un número determinado de
reflexiones la intensidad dentro de la
cavidad es muy elevada y las pequeñas
perdidas del espejo acoplador son la
radiación láser que emite el dispositivo.
3 APLICACIONES
3.1 APLICACIONES MÉDICAS
El haz altamente colimado de un láser se puede enfocar mejor y con una densidad
de energía extremadamente alta hacia un punto microscópico. Esto lo hace útil
como un instrumento de corte y cauterización. Los láseres son utilizados para la
fotocoagulación de la retina, para parar la hemorragia retiniana y para coser los
desgarros de la retina. Los láseres de mayor potencia se usan en la cirugía de
cataratas si la membrana que rodea la lente implantada se vuelve lechosa (pierde
transparencia). El cristalino opacificado se puede eliminar y colocarse en su lugar
una lente, con lo que se restaura de inmediato la visión. Un láser enfocado puede
actuar como un bisturí extremadamente agudo para la cirugía delicada,
cauterizando la herida al tiempo que corta. ("Cauterizar" se refiere a antiguas
prácticas médicas en la utilización de un instrumento caliente o una sonda
eléctrica de alta frecuencia para quemar el tejido alrededor de la incisión,
sellando con ello los pequeños vasos sanguíneos para detener el sangrado). La
acción de la cauterización es particularmente importante, en los procedimientos
quirúrgicos sobre los tejidos ricos en sangre como el hígado.
Los láseres se han utilizado para hacer incisiones de medio micrón de ancho, en
comparación con alrededor de 80 micras del diámetro de un cabello humano.
3.2 CORTE Y SOLDADURA
El haz altamente colimado de un láser se puede enfocar mejor y con una densidad
de energía extremadamente alta hacia un punto microscópico.
En las líneas de ensamblaje de la industria del automóvil, en soldaduras
controladas por ordenador, se hace un amplio uso de los láseres de dióxido de
carbono con potencias de hasta varios kilovatios.
Garmire señala una interesante aplicación de los láseres de CO2 para soldar asas
de acero inoxidables sobre cacharos de cocina de cobre. Una tarea casi imposible
en la soldadura convencional debido a la gran diferencia en la conductividad
térmica entre el acero inoxidable y el cobre, se hace tan rapidamente con el láser
que las conductividades térmicas son irrelevantes.
3.3 SERVICIOS DE TELECOMUNICACIÓN
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 diodos emisores de luz o por
láseres. Los láseres tienen una significativa ventaja porque son casi
monocromáticos y esto permite mantener mejor la forma del pulso sobre largas
distancias. Si se puede mantener una mejor forma del pulso, entonces la
comunicación se pueden enviar a tasas más altas, sin superposición de los pulsos.
Ohanian cita la ventaja en un factor de 10 para los moduladores de láser.
Los impulsores de fibra para el teléfono pueden ser del tamaño de un grano de
arena, con un consumo de solamente medio milivatio. Sin embargo pueden
enviar 50 millones de pulsos por segundo a la fibra de teléfono conectada y
codificar sobre 600 conversaciones de teléfono simultáneas (Ohanian).
3.4 REFRIGERACIÓN
A partir de alrededor de 1985 con la obra de Steven Chu y otros, el uso del láser
para alcanzar temperaturas extremadamente bajas, ha avanzado hasta el punto
de conseguir temperaturas de 10-9ºK. Si un átomo viaja hacia un rayo láser y
absorbe un fotón del láser, disminuirá su velocidad por el hecho de que el fotón
tiene un momento p=E/c = h/λ. Si asumimos que hay una cierta cantidad de
átomos de sodio moviéndose libremente en una cámara de vacío a 300ºK, la
velocidad rms de uno de estos átomos sería a partir de la distribución de
velocidades de Maxwell, unos 570 m/s. Entonces, si se ajusta un láser justo
debajo de una de las líneas D del sodio (589,0 nm y 589,6 nm, unos 2,1 eV), un
átomo de sodio que viaje hacia el láser y absorba un fotón láser, habrá reducido
su impulso en una cantidad igual al momento del fotón. Se necesitaría un gran
número de tales absorciones como para enfriar los átomos de sodio a cerca de
0ºK, ya que la absorción de un solo átomo de sodio con una velocidad de 570
m/s., reduciría su velocidad en sólo unos 3 cm/s. Haciendo una proyección lineal,
se requiere casi 20.000 fotones para reducir el impulso de un solo átomo de
sodio, a cero. El cambio en la velocidad por la absorción de un fotón, puede
calcularse a partir de
Δp/p = pfotón/mv = Δv/v
Δv = pfotón/m
Esto representa un montón de fotones, pero de acuerdo con Chu, un láser puede
inducir del orden de 107 absorciones por segundo, por lo que un átomo podría
ser detenido en cuestión de milisegundos.
Un problema conceptual es que la absorción también puede acelerar los átomos
si las capturas son por detrás, por lo que es necesario contar con más absorciones
de fotones frontales, si el objetivo es reducir la velocidad de los átomos. Esto se
logra en la práctica, mediante la sintonización del láser ligeramente por debajo de
la absorción de resonancia de un átomo de sodio estacionario. Desde la
perspectiva del átomo, el fotón frontal es visto como Doppler desplazado hacia
arriba, hacia su frecuencia de resonancia y por lo tanto mas fuertemente
absorbido que un fotón viajando en la dirección opuesta, el cual sería Doppler-
desplazado hacia fuera de la resonancia. En el caso de nuestro átomo de sodio de
antes a temperatura ambiente, el fotón incidente sería Doppler-desplazado hacia
arriba hasta los 0,97 GHz, por lo que para conseguir que el fotón frontal coincida
con la frecuencia de resonancia, sería necesario sintonizar el pico resonante del
láser en esa cantidad por debajo de la frecuencia de resonancia. Este método de
enfriamiento de átomos de sodio fue propuesto por Theodore Hansch y
Schawlow Arthur en la Universidad de Stanford en 1975 y realizado por Chu en el
AT&T Bell Labs en 1985. Los átomos de sodio se enfriaron a partir de un haz
térmico a 500ºK hasta 240mK. La técnica experimental se realizó dirigiendo los
rayos láser a la muestra, desde direcciones opuestas, con haces de rayos
linealmente polarizados a 90° unos respecto de otros. Seis láseres podrían
proporcionar un par de haces a lo largo de cada eje de coordenadas. El efecto
"viscoso" de los rayos láser en la ralentización de los átomos, fué apodado por
Chu como "melaza óptica".
Para continuar el enfriamiento de los átomos de sodio por este método, se
requiere la resintonización del láser hacia arriba, hacia la frecuencia de resonancia
atómica, porque el efecto Doppler, será menor. Esto pone un límite práctico en la
cantidad de refrigeración que se puede lograr, porque la velocidad de
enfriamiento diferencial se va reduciendo y en un momento determinado, el
mecanismo de enfriamiento es frustrado por el calentamiento debido a la
absorción aleatorio y la reemisión de fotones. Este límite práctico se caracteriza
por 2kT = Efotón resonante, el cual a la baja temperatura de 240 mK
correspondería a energías de fotones de unos 4 x 10-8 eV. Tales energías pueden
caracterizar los niveles de energías de los átomos división Zeeman en los campos
magnéticos producidos por los fotones del láser.
3.5 ESCÁNER
Los escáneres de supermercados usan normalmente láseres de helio-neón para
escanear códigos de barra universales que identifican los productos. El rayo láser
rebota en un espejo giratorio y escanea el código, enviando un haz modulado a
un detector de luz y luego a un ordenador que tiene almacenada la información
del producto. Los láseres de semiconductores se puede usar tambien para este
cometido
3.6 ALMACENAMIENTO DE DATOS
En informática, la unidad de disco óptico es la unidad de disco que utiliza una luz
láser como parte del proceso de lectura o escritura de datos desde un archivo a
discos ópticos a través de haces de luz que interpretan las refracciones
provocadas sobre su propia emisión.
Algunas unidades solo pueden leer discos (lectoras de discos ópticos), en cambio,
las grabadoras de discos ópticos son lectoras y grabadoras, es decir, para referirse
a la unidad con ambas capacidades se suele usar el término lectograbadora.
Los discos compactos (CD), discos versátiles digitales (DVD) y discos Blu-ray (BD)
son los tipos de medios ópticos más comunes que pueden ser leídos y grabados
por estas unidades.
El “almacenamiento óptico” es una variante de almacenamiento informático
surgida a finales del siglo XX. La historia del almacenamiento de datos en medios
ópticos se remonta a los años comprendidos en las décadas de 1970 y 1980. Se
trata de aquellos dispositivos que son capaces de guardar datos por medio de un
rayo láser en su superficie plástica, ya que se almacenan por medio de ranuras
microscópicas (ó ranuras quemadas). La información queda grabada en la
superficie de manera física, por lo que solo el calor (puede producir
deformaciones en la superficie del disco) y las ralladuras pueden producir la
pérdida de los datos, en cambio es inmune a los campos magnéticos y la
humedad.
3.7 TOPOGRAFÍA
Los láseres de helio-neón y de semiconductores se han convertido en piezas
estándares del equipo del topógrafo de campo. Se envia un rápido pulso de láser
a un reflector de esquina en el punto a medir y se mide el tiempo de reflexión
para obtener la distancia.
¡Algunas de tales topografías son de larga distancia!. Los astronautas del Apolo 11
y Apolo 14, pusieron reflectores de esquinas en la superficie de la Luna para
determinar la distancia Tierra-Luna. En el Observatorio MacDonald en Texas, se
esparció un potente pulso de láser en un radio de unos 3 km. al tiempo que se
envió a la Luna. La reflexión fué suficientemente fuerte para ser detectada. Ahora
se sabe la distancia de la Luna a Texas con una aproximación de unos 15 cm., una
medición con 9 dígitos significativos. Para esta medición se usó un láser rubí
pulsado.
3.8 ESPECTÁCULO
El arpa láser es un instrumento musical electrónico, en el que las cuerdas de un
arpa convencional son sustituidas por haz láser. El término arpa láser, así como su
primer diseño funcional, fueron inventados por Bernard Szajner en 1981.
A día de hoy, sigue siendo un instrumento poco conocido aunque está
aumentando su popularidad. Prueba de ello es que ha sido utilizado en diversos
recintos públicos dedicados al arte. Como ejemplo, el arpa creado por Jen Lewin,
expuesto en el Lincoln Center en el año 2000 y en el Burning Man en 2005.
Entre sus usuarios más conocidos están el músico francés Jean-Michel Jarre y el
español Santi Liaño.
3.9 USO MILITAR
Los sistemas de guiado por láser para misiles, aviones y satélites son muy
comunes. La capacidad de los láseres de colorante sintonizables para excitar de
forma selectiva un átomo o molécula puede llevar a métodos más eficientes para
la separación de isótopos en la fabricación de armas nucleares.
3.10 INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA
Los láseres se emplean para detectar los movimientos de la corteza terrestre y
para efectuar medidas geodésicas. También son los detectores más eficaces de
ciertos tipos de contaminación atmosférica. Los láseres se han empleado
igualmente para determinar con precisión la distancia entre la Tierra y la Luna y
en experimentos de relatividad. Actualmente se desarrollan conmutadores muy
rápidos activados por láser para su uso en aceleradores de partículas, y se han
diseñado técnicas que emplean haces de láser para atrapar un número reducido
de átomos en un vacío con el fin de estudiar sus espectros con una precisión muy
elevada.
Como la luz del láser es muy direccional y monocromática, resulta fácil detectar
cantidades muy pequeñas de luz dispersa o modificaciones en la frecuencia
provocadas por materia. Midiendo estos cambios, los científicos han conseguido
estudiar las estructuras moleculares. Los láseres han hecho que se pueda
determinar la velocidad de la luz con una precisión sin precedentes; también
permiten inducir reacciones químicas de forma selectiva y detectar la existencia
de trazas de sustancias en una muestra.
4 BIBLIOGRAFÍA
Michael De Podesta (2002). Understanding the Properties of Matter. CRC Press. p.
131. ISBN 0415257883.
F. K. Kneubühl, M. W. Sigrist: Laser. 3. Auflage. Teubner, 1991, p. 4.
T. H. Maiman: Stimulated Optical Radiation in Ruby. In: Nature. 187 4736, 1960, p.
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Consultado el 21 de noviembre de 2007.
«El Museo Británico abre al público el centro de realidad virtual de Silicon
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«Intel desarrolla un chip que emite luz láser». http://www.lanacion.com.ar/. 18
de septiembre de 2006. Consultado el 21 de noviembre de 2007.
Martin, L.L.; et al (2013). Laser emission in Nd3+ doped barium–titanium–silicate
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«Láser de Gyn-Tonic». Consultado el 4 de julio de 2014.
«Nuclear pumped laser principle». Obninsk, Rusia: Institute for Physics & Power
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Onaik - Artículos de informática. «Láser». Archivado desde el original el 30 de
noviembre de 2015.
«Laser Diode Market». Hanel Photonics. Consultado el 26 de septiembre de 2014.
www.hyperphysics.com
