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. 

Infrarrojos

Dentro del espectro electromagnético, la radiación infrarroja se encuentra comprendida entre el espectro de luz visible y las microondas. Tiene longitudes de onda mayores o más largas que el rojo.

Los rayos infrarrojos, por lo tanto, constituyen una clase de radiación electromagnética con una longitud de onda que resulta superior a la longitud de onda de la luz visible (por lo tanto, tiene una frecuencia menor), aunque inferior a la longitud de onda de las microondas (la frecuencia de los rayos infrarrojos es superior a las microondas).

 

Los rayos infrarrojos son clasificados, de acuerdo a su longitud de onda, de este modo
• infrarrojo cercano se refiere a la parte del espectro infrarojo que ese encuentra más próximo a la luz visible (de 780 nm a 1100 nm)
• infrarrojo medio (de 1,1 µm a 15  µm)
• infrarrojo lejano se refiere a la sección más cercana a la región microondas. (de 15 µm a 100 µm)

La fuente primaria de la radiación infrarroja es el calor o radiación térmica. La radiación infrarroja es emitida por cualquier cuerpo cuya temperatura sea mayor que cero absoluto. (0 Kelvin, es decir, −273,15 grados Celsius). Incluso los objetos que consideramos muy frios emiten en el infrarrojo. Cuando un objeto no es suficientemente caliente para irradiar ondas en el espectro visible, emite la mayoria de su energia como ondas infrarrojas. En el caso de los seres vivos, la mayor parte de la radioación emitida es infrarroja.

La radiación infrarroja es debida a las vibraciones de los electrones, átomos y moléculas, y se propaga con la velocidad de la luz, calentando los objetos que encuentra a su paso, ya que origina que los electrones, átomos y moléculas que constituyen los objetos, comiencen a vibrar.
Cuanto mayor es la energía de las vibraciones que origina la radiación infrarroja, más corta es la longitud de onda de la radiación emitida. Las ondas de infrarrojo se trasmiten, al igual que cualquier otra radiación electromagnética, en línea recta, y, de la misma manera que sucede en el visible y en el ultravioleta, la radiación calorífica del infrarrojo sólo puede detectarse por algún instrumento sometido directamente a su acción, las cámaras de infrarrojos. 

La imagen muestra la fotografia de un perro tomada en la banda infrarroja. Las áreas de colores naranja y blanco son las zonas más calientes, en tanto que las azules son las mas frias. Esta información no la podríamos obtener a partir de la luz visible.

La siguiente imagen la he tomado en el Museo de las Ciencias Principe Felipe de Valencia. Recomiendo su visita. En la foto aparezco en el centro junto a mis dos hijas.

 

Aplicaciones:

• Sentimos los efectos de la radiación infrarroja cada día. El calor de la luz del sol, del fuego, de un radiador o estufa provienen del infrarrojo. Aunque no podemos ver esta radiació, los nervios de nuestra piel pueden sentirla como calor.

 

• Visión en la oscuridad. Los detectores de infrarrojos pueden ver objetos que no es posible ver con luz visible. Hay animales como las viboras que pueden detectar animales de sangre caliente por los infrarrojos que irradian, incluso en la oscuridad.

 

• Lamparas de infrarrojos. Este tipo de lámpara es, en todo, similar a las lámparas corrientes utilizadas en el alumbrado. Para dirigir convenientemente la radiación infrarroja, se recubre parte de la superfieie interior del bulbo con un material que refleja los rayos infrarrojos y que ayuda a enfocar en una dirección la totalidad de la radiación emitida. El filamento de una lámpara de rayos infrarrojos está a una temperatura inferior a la del filamento de una lámpara ordinaria (2.400° C comparados con unos 3.000° C) y la intensidad máxima de la gama de radiación que emite corresponde a unas 15.000 unidades Angstróm. Los objetos sometidos a una lámpara de infrarrojos de calientan muy rapidamente.

 

• Utilizamos rayos infrarrojos cuando usamos un mando a distancia de un televisor. Los  mandos a distancia de uso doméstico emiten una señal infrarroja.
• El termómetro de infrarrojos de precision cón con laser es ligero, compacto y fácil de usar. Simplemente presionar el botón para visualizar en la pantalla la temperatura del objeto medido.
• Para poder detectar fugas de agua y calefacción de una manera mucho más rápida y sin tener que acometer la rotura de ninguna instalación.

 

• Los militares también hacen uso de los rayos infrarrojos a través de determinados sistemas cuando están llevando alguna operación. Así pueden, por ejemplo, detectar a un blanco a larga distancia aún en condiciones de escasa o nula visibilidad.

 

• Las lámparas de rayos infrarrojos tienen aplicaciones industrialaes. Se utilizan para acometer lo que es el secado y esmaltado de pinturas u barnices.

 

• Los rayos infrarrojos se utilizan también como fuente calorífica en la destilación de líquidos volátiles o muy inflamables, evitándose, de este modo, los riesgos que se producirían si estos últimos, por ejemplo, se calentaran a la llama. En este sentido, ha de tenerse en cuenta que la parte incandescente de una lámpara de rayos infrarrojos está totalmente encerrada en el bulbo.

 

• Dentro del campo de la gastronomía, para poder acometer lo que es asado de ciertos platos de una manera más rápida y consiguiendo un resultado más homogéneo. En las conocidas parrillas de rayos infrarrojos, se consiguen asados más rápidos que en las parrillas ordinarias. La radiación infrarroja penetra, además, en el interior de la pieza de carne, con lo que resulta un asado más uniforme.