miércoles, 30 de noviembre de 2016

Laser: lo que usted debería saber.

QUE ES UN LASER Y PARA QUE SIRVE?.







Un láser es basicamente una fuente de luz, Lo que diferencia a un láser de otras fuentes de luz, como las bombillas, es el mecanismo físico por el que se produce la emisión de luz, que se basa en la emisión estimulada, en contra de la emisión espontánea que es la responsable de la mayor parte de la luz que vemos. Para entender lo que es la emisión espontánea y la emisión estimulada hay que conocer un poco la física de la interación de átomos con fotones.

AVISO DE PRECUACION.



 este particular mecanismo de emisión confiere a la luz unas propiedades muy interesantes, como son la alta potencia (y su capacidad para ser amplicada), la direccionalidad (emsión en forma de "rayos", la frecuencia de emisión bien definida (colo de la luz), la capacidad de emitirse en pulsos de muy corta duración, y una propiedad llamada coherencia que significa que las onda electromagnéticas que forma el haz de luz marchan "al paso".



La gama de usos de los láseres es sorprendente, hasta el punto de que alcanza una extensión mucho más amplia que la concebida originariamente, por los científicos que diseñaron los primeros modelos (a pesar de que difícilmente lo admitirían), y supera en mucho la visión de los primeros escritores de ciencia-ficción, quienes en la mayoría de los casos sólo supieron ver en él un arma futurista, (aunque tampoco parecen dispuestos a confesar su falta de imaginación). También resulta sorprendente la gran variedad de láseres existentes.




ESCANER LASER.



En un extremo de la gama se encuentran los láseres fabricados con minúsculas pastillas semiconductoras, similares a las utilizadas en circuitos electrónicos, con un tamaño no superior al de un grano de sal. Gordon Gould uno de los pioneros en este campo, confesó que le impresionaron cuando fueron presentados. En el extremo opuesto se encuentran los láseres bélicos del tamaño de un edificio, con los que experimenta actualmente el ejército, muy diferentes de las pistolas lanzarrayos que habían imaginado los escritores de ciencia-ficción.






En este libro no sólo nos hemos propuesto hablar de los láseres, sino también explicar sus actuales aplicaciones -así como las de un futuro próximo- y la forma en que afectarán, por consiguiente, nuestras vidas.


Las tareas desempeñadas por los láseres van de lo mundano a lo esotérico si bien comparten un elemento común: son difíciles o totalmente imposibles con cualquier otro instrumento. Los Láseres son unos aparatos relativamente caros y, por lo general, sólo se utilizan por su propiedad de suministrar la forma y la cantidad de energía requeridas en el lugar deseado.
Charles H. Townes, uno de los inventores del láser y ganador del Premio Nobel, ha dicho que, en su opinión, el láser abarcará una gama muy amplia de campos y logrará hacerlo prácticamente todo.



conceptos cientificos


En nuestro concepto moderno acerca de la naturaleza de la luz, considerada clásicamente para fines de análisis matemático como una onda electromagnética continua sin principio ni fin de acuerdo a la teoría del electromagnetismo de James Clerk Maxwell, tal onda electromagnética infinita no puede existir en virtud de que la luz está cuantizada en esos pequeños paquetitos viajeros llamados fotones, y de hecho cualquier tipo de radiación electromagnética está cuantizada, trátese de las ondas electromagnéticas de radio AM y de amplitud de modulada o de los signos de neón con los que se anuncian los centros nocturnos.




 Cualquier destello de luz, por pequeño que sea, está formado por una cantidad extraordinariamente grande de fotones. Un caso especial de fotones viajeros lo tenemos en la siguiente figura en la cual tenemos un conjunto de fotones moviéndose de izquierda a derecha:

Si observamos con detenimiento este enjambre de fotones que se está moviendo de izquierda a derecha, no tardaremos en descubrir un detalle muy curioso: cada uno de los fotones está en cierta forma “sincronizado” con respecto a todos los demás. No hay uno solo que viaje un poco “más adelante” o un poco “más retrasado” con respecto a sus compañeros de viaje. Poniéndolo en terminología más formal, decimos que todos los fotones están en fase. Cuando todos los fotones están en fase los unos con respecto a los otros, decimos que tenemos un estado coherente.




 Esta es una situación muy peculiar que no se dá espontáneamente en la Naturaleza de manera perceptible salvo en casos extraordinariamente excepcionales (como en el caso de la estrella MWC 349, la primera estrella con la cual se descubrió en 1996 el primer “láser natural” en el espacio exterior), tiene que ser provocada deliberadamente por el hombre. La luz diurna con la que llevamos a cabo nuestras actividades cotidianas, la cual de hecho está formada por fotones que abarcan una amplia gama de frecuencias (colores) ciertamente no es coherente, cada uno de los fotones está desfasado con respecto a los demás y los fotones viajan en direcciones diferentes. Inclusive la luz monocromática, aunque sea de un solo color, tampoco es coherente, porque los fotones también se desparraman en todas direcciones. Unicamente la luz cuyos fotones viajan en fase los unos con respecto a los otros es coherente, y este tipo de luz es producido por lo que hoy conocemos como el láser (del acrónimo en inglés LASER cuyo significado es Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation):


Esto implica necesariamente que un haz de luz generado un láser será monocromático, de una sola frecuencia, y cada uno de los fotones deberá estarse moviendo en una sola y misma dirección.


Históricamente, el primero en lograr la construcción de un láser capaz de generar un haz de luz visible fue Theodore Maiman, logrando su hazaña en 1960. El principio del rayo láser de Maiman en realidad es bastante sencillo, como lo ilustra el siguiente diagrama:







El rayo láser de Maiman consiste en una varilla de rubí, alrededor de la cual se enrolla una lámpara de flash neón, como nos lo muestra la siguiente fotografía de un láser de rubí miniaturizado:



Un extremo de la varilla de rubí tiene una superficie reflectora mientras que el otro extremo de la varilla es el que permite la salida del haz de luz. Se aplica una alimentación (fuente de energía eléctrica) a un condensador, y en cuanto el condensador tiene suficiente carga eléctrica almacenada se produce una descarga de luz en la lámpara espiral de flash, lo cual genera una destello de luz con suficiente energía para excitar los átomos de la varilla de rubí a un nivel energético superior, produciéndose un fenómeno conocido como la inversión de población en el cual habrá una cantidad mayor de electrones en una capa superior E2 que la cantidad de electrones que hay en una capa inferior E1 hacia la cual saltarán emitiendo los fotones láser en el proceso. Habiendo más electrones en una capa energética superior E2 que en una capa energética inferior E1, los fotones ya emitidos que provienen de la emisión de otros átomos en los cuales ya se dió la transición de E2 a E1 estimularán la emisión de los fotones en aquellos átomos que tienen electrones en la capa E2. 


Y los fotones producidos por esta emisión estimulada estarán en fase y serán de la misma frecuencia que los fotones que los ayudan a “salir fuera” por provenir ambos del mismo salto “hacia abajo” en las mismas capas energéticas. Este proceso puede ser visto como una especie de “amplificación” que aumenta la capacidad de generación de los fotones láser. Es por ello que la palabra láser significa “amplificación de luz por emisión estimulada de radiación”. 


gafas de proteccion.


La posibilidad de provocar este fenómeno de naturaleza eminentemente cuántica en un laboratorio ya había sido demostrada previamente, pero fuera del rango de frecuencias de visibilidad óptica, por el físico norteamericano Charles Townes en 1951, quien logró la construcción del primer máser (del acrónimo en inglés MASER cuyo significado es Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), y el proceso de formación de luz coherente ya había sido anticipado previamente por Albert Einstein desde 1916, de modo tal que Theodore Maiman ya estuvo trabajando sobre algo cuyo advenimiento era hasta cierto punto inevitable. 

Charles Townes





(En 1928 Rudolf Landenburg informó haber obtenido la primera evidencia del fenómeno de emisión estimulada de radiación, aunque no pasó de ser una curiosidad de laboratorio, por lo que la teoría fue olvidada hasta después de la Segunda Guerra Mundial, cuando fue rescatada por Willis Eugene Lamb y R. C. Rutherford.)


ESQUEMA DEL LASER.





ESQUEMA DEL MASER.




laser en la astronomia.




El primer láser óptico obtenido mediante el bombardeo de un cristal de rubí con radiación luminosa externa llegó justo a tiempo para que se pudiera llevar a cabo un experimento interesante aprovechando las misiones norteamericanas Apollo de los viajes espaciales a la Luna. La idea esencial consistía en colocar sobre la superficie lunar un “espejo” que pudiera reflejar un rayo láser enviado desde la Tierra hacia el punto de origen (o un lugar cercano al punto de origen) desde donde fue enviado el haz. Con este tipo de experimento, no sólo era posible medir con precisión extraordinaria la distancia de la Tierra a la Luna, sino que también era posible llevar a cabo varias pruebas sobre las teorías de la gravedad, incluyendo la Teoría General de la Relatividad de Einstein. 


Y para este tipo de experimento un haz de luz incoherente es completamente inútil porque al dispersarse ampliamente los fotones a partir del punto de origen no queda prácticamente nada del haz original para llegar a la Luna, y menos aún para ser reflejado y retornar; forzosamente se tiene que recurrir a un haz de luz coherente en donde todos los fotones estén en fase caminando en la misma dirección. Con esta finalidad, el 20 de julio de 1969, después del alunizaje del primer vehículo tripulado en la primera misión espacial exitosa de este tipo, dando seguimiento al experimento bautizado como Apollo 11 Laser Ranging Retro-Reflector Experiment, los astronautas Edwin Eugene “Buzz” Aldrin y Neil Armstrong depositaron sobre la superficie de la Luna en el Mar de la Tranquilidad un sistema de 100 reflectores ópticos “de esquina” de alta precisión mejor conocido como LR3, los cuales serían los encargados de rebotar los haces de láser enviados desde la Tierra:









laser industrial.





es una técnica empleada para cortar piezas de chapa caracterizada en que su fuente de energía es un láser que concentra luz en la superficie de trabajo. Para poder evacuar el material cortado es necesario el aporte de un gas a presión como por ejemplo oxígeno, nitrógeno o argón. Es especialmente adecuado para el corte previo y para el recorte de material sobrante pudiendo desarrollar contornos complicados en las piezas. Entre las principales ventajas de este tipo de fabricación de piezas se puede mencionar que no es necesario disponer de matrices de corte y permite efectuar ajustes de silueta. También entre sus ventajas se puede mencionar que el accionamiento es robotizado para poder mantener constante la distancia entre el electrodo y la superficie exterior de la pieza.


grabadora laser en metal.




Para destacar como puntos desfavorables se puede mencionar que este procedimiento requiere una alta inversión en maquinaria y cuanto más conductor del calor sea el material, mayor dificultad habrá para cortar. El láser afecta térmicamente al metal pero si la graduación es la correcta no deja rebaba. Las piezas a trabajar se prefieren opacas y no pulidas porque reflejan menos. Los espesores más habituales varían entre los 0,5 y 6 mm para acero y aluminio. Los potencias más habituales para este método oscilan entre 3000 y 5000 W.



El corte por haz láser (LBC) es un proceso de corte térmico que utiliza fundición o vaporización altamente localizada para cortar el metal con el calor de un haz de luz coherente, generalmente con la asistencia de un gas de alta presión. Se utiliza un gas de asistencia para eliminar los materiales fundidos y volatilizados de la trayectoria del rayo láser. Con el proceso de rayo láser pueden cortarse materiales metálicos y no metálicos. El haz de salida con frecuencia se pulsa a potencias máximas muy altas en el proceso de corte, aumentando la velocidad de propagación de la operación de corte.





Diodo laser.











Esta emisión espontánea se produce normalmente en los diodos semiconductores, pero sólo es visible en algunos de ellos (como los LED's), que tienen una disposición constructiva especial con el propósito de evitar que la radiación sea reabsorbida por el material circundante, y habitualmente una energía de la banda prohibida coincidente con la correspondiente al espectro visible; en otros diodos, la energía se libera principalmente en forma de calor, radiación infrarroja o radiación ultravioleta.






 En condiciones apropiadas, el electrón y el hueco pueden coexistir un breve tiempo, del orden de nanosegundos, antes de recombinarse, de forma que si un fotón con la energía apropiada pasa por casualidad por allí durante ese periodo, se producirá la emisión estimulada (véase láser), es decir, al producirse la recombinación el fotón emitido tendrá igual frecuencia, polarización y fase que el primer fotón.


En los diodos láser, para favorecer la emisión estimulada y generación de luz láser, el cristal semiconductor del diodo puede tener la forma de una lámina delgada con un lado totalmente reflectante y otro sólo reflectante de forma parcial (aunque muy reflectante también), lográndose así una unión PN de grandes dimensiones con las caras exteriores perfectamente paralelas y reflectantes. Es importante aclarar que las dimensiones de la unión PN guardan una estrecha relación con la longitud de onda a emitir.








clasificacion de lasers.





Según el riesgo de los láseres y en función del Límite de Emisión Accesible (LEA) se pueden clasificar los láseres en las siguientes categorías de riesgo:

Clase 1: Seguros en condiciones razonables de utilización.




Clase 1M: Como la Clase 1, pero no seguros cuando se miran a través de instrumentos ópticos como lupas o binoculares.





Clase 2: Láseres visibles (400 a 700 nm). Los reflejos de aversión protegen el ojo aunque se utilicen con instrumentos ópticos.





Clase 2M: Como la Clase 2, pero no seguros cuando se utilizan instrumentos ópticos.





Clase 3R: Láseres cuya visión directa es potencialmente peligrosa pero el riesgo es menor y necesitan menos requisitos de fabricación y medidas de control que la Clase 3B.



Clase 3B: La visión directa del haz es siempre peligrosa, mientras que la reflexión difusa es normalmente segura.





Clase 4: La exposición directa de ojos y piel siempre es peligrosa y la reflexión difusa normalmente también. Pueden originar incendios y explosiones.







lasers en la medicina.







Los rayos láser tienen múltiples aplicaciones en diferentes áreas médicas, entre ellas la cirugía. ¿Ha pensado Ud. en la posibilidad de que, en caso de tener que ser operado, el cirujano emplee para hacer la incisión en la piel, en vez del clásico bisturí, un delgadísimo rayo de luz láser, que corta con mayor precisión y hace que brote menos sangre del corte?.



El láser es utilizado, además, para detener las hemorragias en el estómago o duodeno en algunas serias emergencias médicas. En circunstancias tales los médicos recurren a la cirugía, con alto riesgo para el paciente. Empleando un láser de argón, gastroenterólogos británicos informaron (1980) haber logrado detener hemorragias graves introduciendo el láser a través de la fibra óptica del gastrofibroscopio. Al aplicarlo, la hemorragia cedió completamente entre los 15 y los 60 segundos. Luego del paliativo, el médico continúa con la observación del paciente y su úlcera, ganando tiempo en el tratamiento.






En telecomunicaciones, la óptica de espacio libre (FSO, siglas en inglés de free-space optical), es una tecnología de comunicación óptica que utiliza la propagación de la luz (visible o infrarroja) en la atmósfera para transmitir información entre dos puntos. Al igual que las redes de fibra óptica, esta tecnología utiliza un diodo emisor de luz o un láser como fuente de transmisión, aunque no necesita que el haz de luz sea guiado a través de cables ópticos. Para su recepción, estos haces de luz operan en la parte de terahertz del espectro. Para recibir la señal, los haces de luz se centran en un lente de recepción conectada a un receptor de alta sensibilidad a través de un cable de fibra óptica.





La óptica de espacio libre se utiliza también para permitir las comunicaciones de las naves espaciales. Los enlaces ópticos pueden ser implementados utilizando láseres de luz infrarroja, aunque también para enviar datos a bajas velocidades, y para distancias cortas se utilizan LEDs.



 El rango máximo de enlaces terrestres es del orden de 2.3 km,

2. pero la estabilidad y la calidad del enlace es altamente dependiente de los factores atmosféricos como lluvia, niebla, polvo y calor.

 

En el espacio exterior, el alcance de las comunicaciones ópticas de espacio libre en la actualidad es del orden de varios miles de kilómetros.



3. pero tiene el potencial de alcanzar distancias interplanetarias de millones de kilómetros, utilizando telescopios ópticos como expansores de haz.



4. La comunicación infrarroja IrDA utilizada por algunos dispositivos como los teléfonos celulares es también una forma muy simple de comunicación óptica de espacio libre.



Uso del sensor infrarrojo en dispositivos LAN.










Lasers en la industria militar.




Aunque especificar una división puede ser bastante arbitrario, se puede considerar como láser ultra intenso a aquel con el que se pueden conseguir intensidades superiores a los 1015 W cm-2. Esta intensidad, que fue el límite superior de los láseres hasta la invención de la técnica Chirped Pulse Amplification, CPA, es el valor alrededor del cual empiezan a aparecer efectos no lineales en el transporte de la radiación en materiales. 


Actualmente, los láseres más potentes alcanzan intensidades del orden de 1021W cm-2 y potencias de Petavatios, PW, en cada pulso. Este rango de intensidades ha abierto para los láseres la puerta a multitud de disciplinas y áreas científicas tradicionalmente reservadas a aceleradores y reactores nucleares, postulándose como generadores de haces de electrones, iones, neutrones y fotones de alta energía, sin necesidad de un costosa infraestructura. 


Estas perspectivas han sido puestas de manifiesto por el panel de expertos de la OCDE que recomiendan a los gobiernos apoyar el desarrollo y la aplicación de láseres ultra intensos2 y crear comités internacionales como ICUIL3 que articulen la investigación. Las perspectivas de evolución existentes indican que estos láseres alcanzarán potencias de hasta 1018(Exavatios, EW) e incluso 1021(Zettavatios, ZW), lo cual va a permitir en un futuro no muy lejano explorar uno de los temas claves de la física actual como es la estructura del vacío cuántico. El proyecto europeo Extreme Light Infrastructure, ELI es actualmente la propuesta más ambiciosa de construir el láser más intenso del mundo.

La potencia de un pulso láser viene dada por el cociente entre su energía y su duración, P = E/Δt. Por otro lado, la intensidad considera el área sobre la cual se hace incidir esa potencia y viene dada por la expresión I = P/A. Así, resulta claro que para conseguir pulsos cada vez más intensos se necesita aumentar la energía de los mismos, disminuir su duración o focalizarlos en áreas más pequeñas. Desde la creación del láser, la duración de los pulsos se ha ido reduciendo hasta valores que alcanzan actualmente los cientos de attosegundos, i.e. 10-16 s).


 Sin embargo, durante años la amplificación de energía ha estado limitada por las propiedades ópticas del material amplificador en el cual, a intensidades superiores a 1015 W cm-2, se producían efectos no lineales que causaban modificaciones en la propagación de la onda y daños en el material. Con la invención de la técnica Chirped Pulse Amplification, CPA, en el año 1985 se superó esta limitación y actualmente se puede seguir aumentando la intensidad de los pulsos hasta valores por encima de los ya indicados.




 Brevemente, esta técnica consiste en estirar el pulso en el tiempo previamente a su amplificación en energía, mediante redes de dispersión. Una vez estirado, se procede a amplificar sin que en ningún momento se rebase el valor umbral de intensidad por encima del cual se dañaría el medio material. Finalmente, el pulso se comprime en el tiempo de una manera similar a como se hace el estiramiento, alcanzando valores elevados de intensidad. Por último, el aumento de la intensidad reduciendo el área de focalización del pulso tiene una limitación natural que es la que viene dada por la longitud de onda debido al límite de difracción.



Los pulsos láser ofrecen importantes ventajas frente a otro tipo de armamento puesto que se desplazan a la velocidad de la luz siguiendo una trayectoria rectilínea. Como ejemplo de proyectos sobre láseres en aplicaciones militares encontramos Advanced Tactical Laser, ATL, HELTD y Airborne Laser, ABL.

No hay comentarios.:

Publicar un comentario