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Cómo funcionan los láseres

Cómo funcionan los láseres
Satisfacer
  1. Los fundamentos de un átomo
  2. Absorber energía
  3. La conexión láser / átomo
  4. Luz laser
  5. Láser de rubí
  6. Láser de tres niveles
  7. Tipos de láseres
  8. Cual es tu longitud de onda?
  9. Clasificaciones láser

Los fundamentos de un átomo


Un átomo, en el modelo más simple, consta de un núcleo y electrones en órbita.

Solo hay alrededor de 100 tipos diferentes de átomos en todo el universo. Todo lo que vemos está formado por esos 100 átomos en un número ilimitado de combinaciones. La forma en que estos átomos están organizados y enlazados determina si los átomos forman un vaso de agua, un trozo de metal o la burbuja que sale de tu lata de refresco.

Los átomos están en constante movimiento. Vibran, se mueven y giran continuamente. Los átomos que forman las sillas en las que nos sentamos también se mueven. ¡Los sólidos están realmente en movimiento! Los átomos pueden ser diferentes estados de excitación. En otras palabras, pueden tener diferentes energías. Si aplicamos demasiada energía a un átomo, puede dejar lo que se llama nivel de energía del estado fundamental y ve a un archivo nivel animado. El nivel de excitación depende de la cantidad de energía aplicada al átomo mediante calor, luz o electricidad.

Arriba hay una interpretación clásica de cómo se ve el átomo.

Este único átomo está formado por un centro (que contiene protones y neutrones) y Nube de electrones. Es útil pensar en los electrones de esta nube alrededor del centro en muchas órbitas diferentes.

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Absorber energía

Absorción de energía: un átomo absorbe energía en forma de calor, luz o electricidad.  Los electrones pueden pasar de una órbita de baja energía a una de alta energía.
Absorción de energía: un átomo absorbe energía en forma de calor, luz o electricidad. Los electrones pueden pasar de una órbita de baja energía a una de alta energía.

Considere la ilustración de la página anterior. Aunque las visiones más modernas del átomo no lo representan órbitas discretas para los electrones, puede ser útil pensar en estas órbitas como los diferentes niveles de energía del átomo. En otras palabras, si aplicamos un poco de calor a un átomo, podemos esperar que algunos de los electrones en los orbitales de baja energía se muevan a orbitales de alta energía más alejados del núcleo.

Esta es una visión muy simplificada de las cosas, pero en realidad refleja la idea central de cómo funcionan los átomos en términos de láseres.

Una vez que un electrón se mueve a una órbita de mayor energía, eventualmente quiere volver al estado fundamental. Cuando eso sucede, libera su energía como fotón – una partícula de luz. Ves átomos liberando energía en forma de fotones todo el tiempo. Por ejemplo, cuando el elemento calefactor de una tostadora se vuelve rojo brillante, el color rojo es causado por los átomos, excitados por el calor, liberando fotones rojos. Cuando ves una imagen en la pantalla del televisor, lo que ves son átomos de fósforo, excitados por electrones de alta velocidad, que emiten luz de diferentes colores. Todo lo que produce luz (lámparas fluorescentes, lámparas de gas, lámparas incandescentes) lo hace mediante la acción de electrones que cambian de órbita y liberan fotones.

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La conexión láser / átomo

UNO láser es un dispositivo que controla cómo los átomos energizados liberan fotones. “Láser” significa Amplificación de luz por emisión de radiación estimulada., que describe muy sucintamente cómo funciona un láser.

Aunque existen muchos tipos de láseres, todos tienen algunas características esenciales. En un láser, el medio láser se “bombea” para llevar los átomos a un estado excitado. Normalmente, los destellos de luz o descargas eléctricas muy intensas bombean el medio láser y crean una gran colección de átomos en estado excitado (átomos con electrones de mayor energía). Es necesario tener una gran colección de átomos en el estado excitado para que el láser funcione de manera eficiente. En general, los átomos se excitan a un nivel dos o tres niveles por encima del estado fundamental. Esto aumenta el grado de inversión de la población. La inversión de población es el número de átomos en el estado excitado en relación con el número en el estado fundamental.

Láser

Después de que se bombea el medio láser, contiene una colección de átomos con electrones a niveles excitados. Los electrones excitados tienen energías más altas que los electrones más relajados. Así como el electrón ha absorbido una cierta cantidad de energía para alcanzar este nivel de excitación, también puede liberar esa energía. Como se muestra en la siguiente figura, el electrón puede simplemente relajarse y, a su vez, deshacerse de algo de energía. Es energía emitida viene en forma de fotones (Energia luminosa). El fotón emitido tiene una longitud de onda (color) muy específica, que depende del estado de la energía del electrón cuando se libera el fotón. Dos átomos idénticos con electrones en estados idénticos liberarán fotones con longitudes de onda idénticas.

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Luz laser

La luz láser es muy diferente a la luz normal. La luz láser tiene las siguientes propiedades:

  • La luz liberada es monocromo. Contiene una longitud de onda de luz específica (un color específico). La longitud de onda de la luz está determinada por la cantidad de energía liberada cuando el electrón cae en una órbita más baja.
  • La luz liberada es coherente. Está “organizado”: cada fotón se mueve al ritmo de los demás. Esto significa que todos los fotones tienen frentes de onda que se lanzan al unísono.
  • La luz es demasiado direccional. La luz láser tiene un haz muy estrecho y es muy nítida y enfocada. Una linterna, por otro lado, emite luz en varias direcciones y la luz es muy débil y difusa.

Para que ocurran estas tres propiedades, algo llamado emision estimulada. Esto no sucede con una linterna normal: en una linterna, todos los átomos liberan sus fotones al azar. En la emisión estimulada, se organiza la emisión de fotones.

El fotón que libera cada átomo tiene una cierta longitud de onda que depende de la diferencia de energía entre el estado excitado y el estado fundamental. Si ese fotón (que tiene cierta energía y fase) encuentra otro átomo que tiene un electrón en el mismo estado excitado, puede ocurrir una emisión estimulada. El primer fotón puede estimular o inducir la emisión atómica de tal manera que el siguiente fotón emitido (del segundo átomo) vibre con la misma frecuencia y dirección que el fotón entrante.

La otra clave para un láser son algunas espejos, uno en cada extremo del soporte del láser. Los fotones, con una fase y una longitud de onda muy específicas, se reflejan en los espejos para viajar hacia adelante y hacia atrás a través del medio láser. En el proceso, estimulan a otros electrones para que exploten la energía y pueden provocar la emisión de varios fotones de la misma longitud de onda y fase. Se produce un efecto dominó y pronto propagamos muchos fotones de la misma longitud de onda y fase. El espejo en un extremo del láser es “mitad plateado”, lo que significa que refleja parte de la luz y deja entrar parte de la luz. La luz que lo atraviesa es un láser.

Puede ver todos estos componentes en las figuras de la página siguiente, que ilustran cómo un simple láser de rubí funciona.

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Láser de rubí

Un láser de rubí consta de un tubo de flash (como lo haría en una cámara), una varilla de rubí y dos espejos (una mitad plateada). La varilla de rubí es el medio láser y el tubo de flash lo bombea.


Cómo funcionan los láseres

1. El láser en su estado no láser


Cómo funcionan los láseres

2. El tubo de flash dispara e inyecta luz en el eje de rubí. La luz excita los átomos del rubí.


Cómo funcionan los láseres

3. Algunos de estos átomos emiten fotones.

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Cómo funcionan los láseres

4. Algunos de estos fotones corren en una dirección paralela al eje del rubí y luego saltan hacia adelante y hacia atrás en los espejos. A medida que atraviesan el cristal, estimulan la emisión a otros átomos.

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Cómo funcionan los láseres
5. La luz monocromática, monofásica y columnar deja el rubí a través del espejo semi-plateado – ¡luz láser!

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Láser de tres niveles

Esto es lo que sucede en un verdadero láser de tres niveles.


Cómo funcionan los láseres

En la siguiente sección, aprenderá sobre los diferentes tipos de láseres.

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Tipos de láseres

Hay muchos tipos de láseres. El medio láser puede ser un sólido, un gas, un líquido o un semiconductor. Los láseres generalmente se indican según el tipo de material láser utilizado:

  • Láser de estado sólido tienen un material láser distribuido en una matriz sólida (como el láser de rubí o neodimio: granada de itrio-aluminio “Yag”). El láser de neodimio-Yag emite luz infrarroja a 1064 nanómetros (nm). Un nanómetro es 1×10-9 metros.
  • Láser de gas (el helio y el helio-neón, HeNe, son los láseres de gas más comunes) tienen una salida de luz roja primaria visible. Los láseres de CO2 emiten energía del infrarrojo lejano y se utilizan para cortar materiales duros.
  • Láser excimer (el nombre proviene de los términos animado Es dímeros) utilizan gases reactivos, como cloro y flúor, mezclados con gases inertes, como argón, criptón o xenón. Cuando se estimula eléctricamente, se produce una pseudo molécula (dímero). Cuando se aplica con un láser, el dímero produce luz en el rango ultravioleta.
  • Láser de tinta utilice tintes orgánicos complejos, como rodamina 6G, en solución líquida o en suspensión como medio láser. Se pueden sintonizar en una amplia gama de longitudes de onda.
  • Láser semiconductorA veces llamados láseres de diodo, no son láseres semiconductores. Estos dispositivos electrónicos son generalmente muy pequeños y consumen poca energía. Se pueden incorporar en moldes más grandes, como la fuente de grabación para algunas impresoras láser o reproductores de CD.

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Cual es tu longitud de onda?

UNO láser de rubí (mostrado arriba) es un láser semiconductor y emite a una longitud de onda de 694 nm. Se pueden seleccionar otros soportes láser en función de la longitud de onda de emisión deseada (consulte la tabla a continuación), la potencia requerida y el ancho de pulso. Algunos láseres son muy potentes, como el láser de CO2, que puede cortar acero. La razón por la que el láser de CO2 es tan peligroso es que emite luz láser en la región de infrarrojos y microondas del espectro. La radiación infrarroja es calor y este láser básicamente derrite todo lo que se enfoca.

Otros láseres, como los láseres de diodo, son muy débiles y se utilizan en los punteros láser portátiles actuales. Estos láseres generalmente emiten un haz de luz roja con una longitud de onda entre 630 nm y 680 nm. Los láseres se utilizan en la industria y la investigación para muchas cosas, incluido el uso de luz láser intensa para excitar otras moléculas y observar lo que les sucede.

A continuación, se muestran algunos láseres típicos y sus longitudes de onda de emisión:

Tipo de láser
Longitud de onda (nm)
Fluoruro de argón (UV)
193
Fluoruro de criptón (UV)
248
Cloruro de xenón (UV)
308
Nitrógeno (UV)
337
Argón (azul)
488
Argón (verde)
514
Helio de neón (verde)
543
Helio neón (rojo)
633
Colorante de rodamina 6G (ajustable)
570-650
Rubí (CrAlO3) (Rojo)
694
Nd: Yag (NIR)
1064
Dióxido de carbono (FIR)
10600

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Clasificaciones láser


Cómo funcionan los láseres
Señal de advertencia láser

Los láseres se clasifican en cuatro áreas principales según el potencial de causar daño biológico. Cuando vea un láser, debe estar etiquetado con una de estas cuatro designaciones de clase:

  • Clase I. – Estos láseres no pueden emitir radiación láser a niveles de riesgo conocidos.
  • Clase IA – Esta es una designación especial que se aplica solo a los láseres que “no están destinados a ser vistos”, como un escáner láser de supermercado. El límite de potencia de clase superior IA es de 4,0 mW.
  • Clase II – Son láseres visibles de baja potencia que emiten niveles superiores a la clase I, pero con una potencia radiante no superior a 1 mW. El concepto es que la reacción de la aversión humana a la luz brillante protegerá a la persona.
  • Clase IIIA – Son láseres de potencia intermedia (cw: 1-5 mW), peligrosos solo para visualización intrahaz. La mayoría de los láseres en forma de bolígrafo se incluyen en esta clase.
  • Clase IIIB – Son láseres moderadamente potentes.
  • Clase IV – Son láseres de alta potencia (cw: 500mW, pulsados: 10 J / cmdos o límite de reflexión difusa), que son peligrosos para el ojo en todas las condiciones (difusión directa o difusa) y representan un riesgo potencial de incendio y para la piel. Se requieren controles exhaustivos para las instalaciones de láser de Clase IV.

Para obtener más información sobre láseres y temas relacionados, consulte los enlaces en la página siguiente.

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La estación de prueba de límite de daño óptico en el Centro de Investigación Langley de la NASA tiene tres láseres: un láser ND: Yag pulsado de alta energía, un láser Ti: zafiro y un láser de alineación HeNe.
Foto cortesía de NASA.
Estación de prueba de límite de daño óptico en el Centro de Investigación Langley de la NASA.

“Star Wars”, “Star Trek”, “Battlestar Galactica”: la tecnología láser juega un papel central en las películas y libros de ciencia ficción. Probablemente sea gracias a este tipo de historias que ahora asociamos los láseres con guerras futuristas y naves espaciales con estilo.

Él sigue
  • Foro HowStuffWorks: Laser Power Unlimited?
  • Como funciona la luz

  • Cómo funcionan los átomos

  • Discovery.com: láser gigante

Pero los láseres también juegan un papel central en nuestra vida diaria. El caso es que aparecen en una increíble variedad de productos y tecnologías. Los encontrará en todo, desde reproductores de CD y taladros dentales hasta máquinas cortadoras de metales de alta velocidad y sistemas de medición. Eliminación de tatuajes, reemplazo de cabello, cirugía ocular: todos usan láseres. Pero, ¿qué es un láser? ¿Qué diferencia a un rayo láser del rayo de una linterna? Específicamente, ¿qué diferencia a la luz láser de otros tipos de luz? ¿Cómo se clasifican los láseres?

En este artículo aprenderás todo sobre los diferentes tipos de láseres, sus distintas longitudes de onda y los usos a los que los dedicamos. Pero primero, comencemos con los conceptos básicos de la tecnología láser: pase a la página siguiente para conocer los conceptos básicos de un átomo.

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