El Láser

El término LÁSER, light amplification by stimulated emission of radiation; significa amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación. 

Un láser es un dispositivo que produce un tipo especial de luz, produce un rayo de luz coherente  y monocromática, que se caracteriza por ser una luz intensa y direccional, que no se dispersa de manera que puede proyectarse a largas distancias.

Es una luz coherente por qué los pulsos que emite tiene una diferencia de fase constante.

Y es una luz monocromatica, por qué emite luz de un solo color, es decir de una sola longitud de onda.

 

Utiliza un efecto de la mecánica cuántica, la emisión inducida o estimulada, para generar un haz de luz coherente tanto espacial como temporalmente.

La historia comenzó en 1916, cuando Albert Einstein estudiaba el comportamientode los electrones en el interior del átomo. Einstein pensó que existía la posibilidad de estimular los electrones de un átomo para lograr que emitieran luz en una determinada longitud de onda (principio de emisión estimulada). Einstein descubrió la emisión estimulada, pero para fabricar un láser se precisa también amplificación de dicha emisión estimulada.

Partes del Láser

Un láser típico consta de tres elementos básicos. 

1.- Una cavidad òptica resonante, en la que la luz puede circular, que consta habitualmente de un par de espejos de los cuales uno es 100 % reflejante (reflector total) y otro parcialmente transparente, que permite la salida de la radiación láser de la cavidad.

2.- Un medio activo con ganancia óptica, que puede ser sólido, líquido o gas que es el encargado de amplificar la luz. El medio activo es donde ocurren los procesos de excitación electrónica  mediante bombeo de energía, emisión espontánea y emisión estimulada de radiación.

3.- El bombeo. Para poder amplificar la luz, el medio activo necesita un cierto aporte de energía, llamada comúnmente bombeo. Este bombeo es generalmente un haz de luz (bombeo óptico). Se provoca mediante una fuente de radiación como puede ser una lámpara, o una corriente eléctrica (bombeo eléctrico), o el uso de cualquier otro tipo de fuente.

Emisión estimulada de radiación

La emisión estimulada, base de la generación de radiación de un láser, se produce cuando un átomo en estado excitado recibe un estímulo externo que lo lleva a emitir fotones y así retornar a un estado menos excitado. 

El estímulo en cuestión proviene de la llegada de un fotón con energía similar a la diferencia de energía entre los dos estados. Los fotones así emitidos por el átomo estimulado poseen fase, energía y dirección similares a las del fotón externo que les dio origen. 

La emisión estimulada descrita es la raíz de muchas de las características de la luz láser. No sólo produce luz coherente y monocromatica, sino que también «amplifica» la emisión de luz, ya que por cada fotón que incide sobre un átomo excitado se genera otro fotón.

Como podemos observar en la figura, los electrones del estado fundamental E₁ son elevados a un nivel superior E₃ gracias a la aportación de energia exterior (bombeo). Los electrones ceden energia rapidamente (decaimento rápido) y llega al estado E₂ que es un estado metaestable. Lo que logra el bombeo óptico es que la mayoría de los  electrones estén constantemente en el nivel superior. Este proceso se denomina inversión de población, y es absolutamente indispensable para que se produzca la emisión láser.

«Si un electrón está en el estado superior y recibe un fotón de la misma frecuencia del que emitiría si bajara al nivel inferior, desestabilizará a este átomo, induciéndolo a emitir inmediatamente.» 

Cuando el átomo  capta electrones de energia adecuada E f_oton = E₂ – E₁, los electrones volveran al estado fundamental emitiendo luz coherente y monocromática.

Después de esta emisión estimulada existirán dos fotones en lugar de uno, el que estimuló y el estimulado.

Naturalmente, para que la emisión estimulada tenga lugar se requiere que el electrón permanezca en el estado superior un tiempo suficientemente largo para darle oportunidad al fotón estimulador a que llegue al átomo. Por esta razón, el proceso de emisión estimulada es más fácil si el nivel superior tiene una vida media relativamente larga (estado metaestable).

Es fácil ver que se provocará una reacción en cadena, por lo que a la salida se tendrán no uno, sino una multitud de fotones. Dicho de otro modo, se habrá amplificado la luz mediante el mecanismo de emisión estimulada

A fin de que éste sea un proceso continuo, podemos colocar un espejo semitransparente a la salida, para regresar parte de los fotones que salen, y así seguir provocando la emisión estimulada. A la entrada se coloca otro espejo, totalmente reflector.

 

 

Usos y aplicaciones

Uso médico

El Láser se puede enfocar mejor y con una densidad de energía extremadamente alta hacia un punto microscópico. Esto lo hace útil en medicina, cada vez más usado al actuar muy selectivamente sobre la lesión, dañando mínimamente los tejidos adyacentes. Por eso produce muy pocos efectos secundarios en cuanto a destrucción de otro tejido sano de su entorno e inflamación. Un láser enfocado puede actuar como un bisturí extremadamente agudo para la cirugía delicada.

 

En la dermatología, éstos pueden eliminar casi todos los defectos de la piel bajo anestesia local. Los láseres de He-Ne han sido utilizados con éxito en dermatología para el tratamiento de manchas en la piel, o como auxiliares para estimular la regeneración de tejido en cicatrices.

En oftalmología son utilizados los láseres que eliminan capas submicrométricas de la córnea, modificando su curvatura. 

Por medio de radiación láser (en este caso con láser de argón ionizado) es posible en la actualidad tratar casos de desprendimiento de retina. Para parar la hemorragia y 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).

 

Soldadura y corte

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.

En el corte mediante láser se utiliza la radiación procedente de la fuente láser para calentar la pieza hasta alcanzar la temperatura de fusión, al tiempo que una corriente de gas a presión arrastra el material fundido. La utilización del láser en este campo ofrece muchos aspectos positivos. El haz láser focalizado sobre la pieza tiene unas dimensiones mínimas, de modo que actúa como una herramienta puntual.

Topografia y alcance

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.

 

 

 

 

 

 

Escáners de código de barras y lectores CD

Aplicaciones más cotidianas de los sistemas láser son, por ejemplo, el lector del código de barras, el almacenamiento óptico y  la lectura de información digital en discos compactos (CD) o en discos versátiles digitales (DVD), que se diferencia en que éstos últimos utilizan una longitud de onda más corta (emplean láser azul en vez de rojo).

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.

Otra de las aplicaciones son las fotocopiadoras e impresoras láser, o las comunicaciones mediante fibra óptica. 

Efecto fotoeléctrico. Experimento de Millikan

Robert Millikan fue uno de los científicos más famosos de su época. Ganó el premio Nobel de física en 1923 por la medición de la carga del electrón y por el trabajo experimental que confirmó la teoría de Einstein de que la luz estaba constituida por partículas.

Einstein, en 1905 publicó un artículo, en el que afirmaba que la única manera de explicar cómo la luz cede energía a los electrones es asumiendo que la luz está hecha de partículas, de forma análoga a la corriente eléctrica.
Einstein encontró que la energía de una partícula de luz es igual a su frecuencia multiplicada por una constante, h, que terminó llamándose constante de Planck.

Ef = h.f

Los científicos llevaban 50 años convencidos de que la luz era una onda, y Millikan era uno de ellos. Por lo que se dispuso a demostrar que la teoría de Einstein era errónea.
Millikan en aquella epoca ya tenía una reputación de gran experimentador, tras haber sido capaz de medir la carga del electrón, demostrando así que los electrones eran realmente entes físicos con propiedades consistentes. Pero sólo porque aceptase que los electrones eran partículas no significaba que creyese que la luz podía ser algo parecido.

 

En la imagen anterior podemos observar una célula fotoelécctrica. Una célula fotoeléctrica esta formada por dos superficies metálicas A (ánodo) y C (cátodo) contenidas en un recipiente de vidrio en el que se ha hecho el vacío, y se hace incidir un haz de luz monocromática. Se genera una corriente fotoeléctrica que se se medirá con un amperímetro.

El potencial existente entre A y C es  la diferencia de potencial aplicada desde el exterior de forma controlada (pudiendo ser positiva o negativa).

Si se representa la Intensidad de corriente fotoeléctrica  que mide el amperímetro en función del potencial V para dos valores de intensidad luminosa incidente se obtiene:

Cuando la diferencia de potencial entre A y C es positiva se alcanza un valor de saturación Ic. Todos los electrones que abandonan C, por pequeña que sea su energía cinética, son recogidos por A.

Cuando el potencial (V) empieza a tomar valores negativos la corriente no se anula de forma brusca como sucedería si los fotoelectrones se desprendieran del metal con energía cinética nula. En este caso, la energía cinética que han adquirido gracias a la luz incidente les permite avanzar venciendo la fuerza repulsiva generada por el potencial V hasta un valor V0 a partir del cual Ic = 0 y ningún electrón consigue llegar a A. Este valor, se conoce como potencial de frenado (Vo) y es independiente de la intensidad de la radiación incidente.

e|V0| = Ec max

donde Ec max es la energía cinética de los electrones más rápidos que serán los únicos que dispondrán de energía suficiente para llegar.

Explicación de Einstein del efecto fotoeléctrico.

Einstein consideraba que el efecto fotoeléctrico se produce cuando sobre la superficie metálica que hace de electrodo incide un número finito de cuantos de luz de energía hf que interaccionan con los electrones del cátodo. Cada cuanto de luz o fotón es absorbido por un único electrón al que le transfiere toda su energía. Los electrones excitados pierden parte de esta energía en el trabajo de extracción (Wext) que deben realizar para escapar de las fuerzas que les mantienen ligados al metal.

Los fotoelectrones con mayor energía cinética son los que se encuentran en la superficie metálica y no pierden energía en desplazamientos interiores. Si uno de esos fotoelectrones absorbe un fotón de energía hf, su energía cinética podrá expresarse de la forma:

Ec max = hf – Wext

donde Ec max no depende de la intensidad incidente puesto que cada electrón interactúa con un único cuanto de luz o fotón.

El experimento de Millikan medía la energía de los electrones que eran emitidos por una placa sobre la que incidía un rayo de luz.

e|V0| = Ec max = hf – Wext

Millikan intentaba demostrar que la teoria de Einstein era incorrecta, ja que estaba a favor de la teoria ondulatoria de la luz. Sin embargo, para su sorpresa, los resultados parecían confirmar la teoría de Einstein de la naturaleza corpuscular de la luz. No sólo eso, el experimento permitió la determinación más precisa hasta la fecha del valor de la constante de Planck.
Décadas más tarde, cuando Millikan describía su trabajo, todavía asomaba un punto de frustración: “Empleé diez años de mi vida comprobando la teoría de Einstein de 1905 y, en contra de todas mis expectativas, me vi forzado a afirmar su verificación sin ambages a pesar de lo irrazonable que era”.

La Bobina Tesla

Una bobina de Tesla, llamada así en honor a su inventor, Nikola Tesla, quien la patentó en 1891, es un tipo de transformador resonante que produce altas tensiones a elevadas frecuencias (radiofrecuencias). Con esta bobina Tesla consigió trasmitir la energía eléctrica sin necesidad de conductores.

Las bobinas de Tesla están compuestas por una serie de circuitos eléctricos resonantes acoplados. Generalmente las bobinas de Tesla generan tensiones de radiofrecuencia (RF) muy elevadas (de decenas de miles e incluso cientos de miles de voltios), por lo que dan lugar a coloridas descargas eléctricas en el aire de alcances que pueden llegar a ser del orden de varios metros, lo que las hace muy espectaculares, con efectos observables por el ojo humano como chispas, coronas y arcos eléctricos.

Aunque las bobinas de Tesla llegaron a usarse comercialmente en las primeras generaciones de radiotelégrafos, hoy su uso se limita al entretenimiento. Son dispositivos muy comunes en los museos de ciencia, pues generan espectaculares chispas y descargas eléctricas, e incluso se han adaptado para funcionar como instrumentos musicales. Su secreto está en que producen corriente alterna de alto voltaje, alta frecuencia y baja intensidad.

Tesla diseñó y construyó una serie de bobinas que produjeron corrientes de alto voltaje y alta frecuencia. Estas primeras bobinas usaban la acción de un explosor o chispero en su funcionamiento. Un explosor o chispero básicamente consiste en dos electrodos enfrentados próximos, típicamente esféricos, entre los cuales se origina una descarga eléctrica cuando se les aplica una diferencia de tensión eléctrica que sobrepasa un valor determinado, el valor de la tensión de ruptura del aire correspondiente a la separación entre electrodos. La tensión a la que salta la chispa en el explosor es elevada, de varios miles de voltios típicamente (depende de la separación entre electrodos del explosor), por lo que se debe disponer de una fuente de alta tensión para poder aplicar ésta al chispero y hacer saltar las chispas en éste.

La bobina Tesla funciona de la siguiente manera:

– El transformador de alta tensión carga al condensador de alta tensión y se establece una alta tensión entre sus placas.
– El voltaje tan elevado es capaz de romper la resistencia del aire, y hace saltar una chispa entre las terminales del explosor o chispero. Las chispas producidas en el explosor asociado a una bobina Tesla contienen impulsos de alta frecuencia (RF, radiofrecuencia) de gran amplitud, que alimentan el arrollamiento primario de la bobina Tesla propiamente dicha.
– La chispa descarga al condensador a través de la bobina o arrollamiento primario (con pocas espiras) y establece una corriente oscilante.
– Enseguida el condensador de alta tensión se carga nuevamente y repite el proceso. Así resulta un circuito oscilatorio de radio frecuencia al que llamaremos circuito primario.
– La energía que produce el circuito primario se induce en la bobina o arrollamiento secundario (con más vueltas).
– El circuito secundario oscila a la misma frecuencia que el circuito primario, entrando en resonancia. Lo interesante de esta bobina es que la condición de resonancia es como empujar a un niño en un columpio, si le das un empujón en el momento exacto, el niño irá cada vez más alto.
– Finalmente, el circuito secundario produce ondas electromagnéticas de muy alta frecuencia y voltajes muy elevados de decenas de miles e incluso cientos de miles de voltios, dependiendo del tamaño de la bobina.. Estas se propagan en el medio ionizando las moléculas del aire, convirtiéndolo en trasmisor de corriente eléctrica.

Debido a las altísimas tensiones que se desarrollan en el arrollamiento secundario de la bobina Tesla, el hilo con que está realizado debe ser un hilo que esté bien aislado eléctricamente para evitar daños por chispas que puedan saltar (además, la tensión entre espira y espira contigua puede alcanzar altos valores), y por el mismo motivo, el arrollamiento primario no está arrollado directamente sobre el arrollamiento secundario, sino que hay una separación suficiente entre las espiras de ambos arrollamientos (por ejemplo, el diámetro de las espiras del arrollamiento primario es bastante superior a las del arrollamiento secundario).

 

 

Ya que las bobinas Tesla pueden producir corrientes o descargas de muy alta frecuencia y voltaje, y son útiles para diferentes propósitos, entre los que se incluyen demostraciones prácticas en clases, efectos especiales para teatro y cine, y pruebas de seguridad de diferentes tecnologías. En su funcionamiento más común, se producen largas descargas de alta tensión en todas direcciones alrededor del toroide del extremo superior de la bobina, que resultan muy espectaculares.

Mientras se generan las descargas, se produce una transferencia de energía eléctrica entre la bobina secundaria y el toroide superior con el aire circundante, transferencia que se produce en forma de carga eléctrica, calor, luz y sonido. Las corrientes eléctricas que fluyen a través de estas descargas se deben a los rápidos cambios de la cantidad de carga que se transmite desde el terminal superior al aire circundante.