jueves, 17 de febrero de 2011

Tópicos de física moderna: Rayo Láser

La palabra láser proviene de la palabra inglesa “laser” que es un acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación).

Albert Einstein, en 1917, a partir de su propia teoría sobre la naturaleza corpuscular de la luz, anunció el concepto de emisión estimulada, que es en esencia el fenómeno en el que se basa el Láser.

La luz láser es una radiación electromagnética monocromática (comúnmente en el rango de energía visible o cercano a él) y coherente que se produce como resultado de la emisión estimulada de luz a partir de incontables átomos o moléculas individuales.

La luz láser tiene características específicas que describiremos a continuación:

  • Es monocromática ya que los fotones que la forman tienen la misma energía y pertenecen a una misma longitud de onda y mismo color, es decir, tienen una ubicación específica dentro del espectro electromagnético. Las fuentes de luz mas comunes, como la de una bombilla eléctrica, emiten radiación en muchísimas longitudes de ondas diferentes, incluso no visibles, como infrarrojo (por eso dan calor) o ultravioletas.
  • Es coherente ya que todas las ondas que conforman el haz láser están en fase con las otras, tanto en tiempo como en espacio, es decir, cuando la onda de uno esta en su punto máximo, todos los demás también están en ese estado.
  • Es colimada (direccionabilidad), es decir, tiene una divergencia nula. El flujo de la energía es unidireccional, de modo que cada rayo del haz puede considerarse paralelo a cualquier otro. Esta característica, que en la práctica es imposible de lograr en un 100% pero que se acerca mucho, es la que hace que el rayo de luz emitido por un láser no se “ensanche” a medida que se aleja de la fuente que lo genera.

De lo descrito anteriormente se deduce que la luz láser es muy intensa, ya que reune todas estas características, oscilando igual, y además concentradas y direccionales, sin apenas divergencias. Así se alcanza una alta concentración energética por unidad de superficie.

Los lásers tienen parámetros físicos para controlar los efectos que pueden producir en los materiales donde impactan.

La energía de un láser, y cualquier forma de energía, se mide en joules (J). Su potencia viene expresada en watts (W), y representa la cantidad de energía emitida por el láser en joules por cada segundo. Por ejemplo, el puntero láser que usan los ponentes en una conferencia generalmente no supera los 5 mW, lo que los hace bastante seguros.

La intensidad del rayo laser, definida también como la densidad de su potencia es una variable muy importante en la determinación del efecto que un láser tiene sobre el material irradiado. Se define como la potencia, expresada en watts (W), por cada metro cuadrado (m2).

Partes de un dispositivo láser
Un dispositivo láser consta de diferentes partes que poseen diferentes propiedades y funciones. Para empezar necesitamos lo que se conoce como medio activo (1). Se trata del compuesto químico que está en el interior del dispositivo y que excitaremos para que emita la luz láser. Para producir la excitación es necesaria una fuente de energía (2), que suele ser una pila, para producir el bombeo de energía. Una vez exitados los átomos, los electrones externos decaen y se empiezan a emitir los primeros fotones. Y aquí comienza verdadera emisión estimulada que da nombre al láser. Las paredes del medio activo son dos espejos reflectantes. Uno de ellos es espejo reflectante al 100% (3) mientras que el otro (4) presenta una pequeña transparencia. Los fotones rebotan infinidad de veces entre los espejos y en cada paso por el medio activo, si chocan con un electrón excitado éste decae y emite otro fotón. Este proceso realizado constantemente produce un gran número de fotones con las propiedades de coherencia y sin desfase. Y tras todo este proceso casi instantáneo se genera el haz del láser (5) que sale por una pequeña abertura en el espejo (4).

Generalmente un láser funciona con un color determinado (es monocromático) que depende del compuesto químico que esté en su interior del dispositivo láser. Los hay, entre otros poco usados, en color rojo (630 nm), en verde (532 nm), en violeta (405 nm).

Amplificación de la luz por emisión estimulada
Explicaremos como ocurre la amplificación láser desde la emisión espontánea del primer fotón hasta la saturación de la cavidad láser y el establecimiento de un estado de equilibrio dinámico.

El proceso se inicia con múltiplea átomos excitados (esferas rojas) colisionando aleatoriamente unos con otros y con las paredes internas de la cavidad láser. Varias ondas luminosas aparecen aparecen espontáneamente para simular el proceso de emisión estimulada de una fuente de energía externa (no ilustrada). Las ondas se propagan de atraz hacia adeltante a través de la cavidad láser, con la intensidad incrementándose en cada paso (más ondas son formadas), pero algo de luz pasa a través del espejo parcialmente reflactante (espejo salida) en el lado derecho de la cavidad láser. Eventualmente el láser alcanza un estado de equilibrio donde la cavidad está llena de ondas oscilantes y bombea un continuo flujo de luz a través del espejo.

Se requieren varios factores adicionales para amplificar y concentrar la luz en un haz láser. La luz de emisión estimulada producida en un medio láser usualmente tiene una única longitud de onda, pero debe ser extraida eficientemente del medio por algún mecanismo que incluye amplificación. Esta tarea se realiza en una cavidad resonante, que refleja parte de la emisión de nuevo al medio del laser y, a través de múltiples interacciones, amplifica la intensidad de la luz. Por ejemplo, después de la emisión estimulada inicial, dos fotones tienen la misma energía y fase y cada uno probablemente encontrará otros átomos excitados, que subsecuentemente emitirán más fotones que tienen la misma energía y fase. El número de fotones producido por emisión estimulada crece rápidamente, y el incremento es directamente proporcional a la distancia que la luz viaja en el medio láser.

La figura adjunta muestra la amplificación que ocurre con al aumentar la longitud de la trayectoria en la cavidad debido a los espejos en cada extremo. La figura (a) muestra el comienzo de la emisión estimulada, que es amplificada en la figura (b) hasta (g) cuando la luz es reflejada en los espejos posicionados en los extremos de la cavidad. Una porción de luz pasa a través del espejo parcialmente reflactante sobre el lado derecho de la cavidad figuras (b), (d) y (f) durante cada paso. Finalmente, en el estado de equilibrio figura (h), la cavidad está saturada con emisión estimulada.

Simulación del proceso de generación

Usos
Existen diferentes tipos de rayo láser, utilizados para las más diversas actividades. Tenemos los modestísimos pero sumamente comunes diodos láser que son utilizados en lectores de CD, DVD, etc. hasta los láser industriales, basados en algún gas, capaces de cortar planchas de acero de varios milímetros de grosor.

Particularmente, el caso de los diodos láser, han permitido el desarrollo de sistemas de almacenamiento masivo de información con capacidades impensadas hace solo una década. Y es una tecnología que no para de ser mejorada, como lo demuestran la aparición constante de nuevos artefactos que dejan a los anteriores en el olvido, debido a sus superiores características, valga el ejemplo de los emergentes HD-DVD o DVD Blue Ray, que utilizando diodos láser con longitudes de onda mas cortas permiten almacenar mucha mas información que los DVDs convencionales.

Algo mas alejados de los hogares, las grandes industrias hacen uso de diferentes tipos de láser. En la fabricación de los mas variados productos de utilizan estas haces de luz, ya sea para cortar, soldar o calibrar.

En el campo de la arquitectura y agrimensura, los láseres han demostrado ser el método más fiable para medir distancias o comprobar alineaciones de objetos.

Y por supuesto, las aplicaciones militares de esta tecnología también son numerosas, incluyendo proyectos ambiciosos como el de “la guerra de las galaxias” de la administración Reagan, que preveía el derribo de misiles mediante láser, hasta los mas realistas y efectivos sistemas de guiado de los misiles y bombas actuales.

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