Cómo Funcionan Los Láseres

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Los láseres se utilizan en reproductores de cd, ejercicios dentales, cirugía ocular e incluso en la eliminación de tatuajes. Pero, ¿qué es exactamente un láser? Aprenda sobre los diversos tipos de láseres y cómo generan dicha luz concentrada.

Hay solo unos 100 tipos diferentes de átomos en todo el universo. Todo lo que vemos está formado por estos 100 átomos en un número ilimitado de combinaciones. ¡Cómo se organizan y se unen estos átomos determina si los átomos forman una taza de agua, un trozo de metal o la chispa que sale de su lata de refresco!

Los átomos están constantemente en movimiento. Vibran, se mueven y giran continuamente. Incluso los átomos que forman las sillas en las que nos sentamos se mueven. ¡Los sólidos están realmente en movimiento! Los átomos pueden estar en diferentes estados de excitación. En otras palabras, pueden tener diferentes energías. Si aplicamos mucha energía a un átomo, puede dejar lo que se llama el nivel de energía del estado fundamental y ve a un nivel excitado El nivel de excitación depende de la cantidad de energía que se aplica al átomo a través del calor, la luz o la electricidad.

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

Este simple átomo consiste en un núcleo (que contiene los protones y neutrones) y una Nube de electrones. Es útil pensar en los electrones en esta nube que rodea el núcleo en muchas órbitas diferentes.

Absorbente de energia

Absorción de energía: un átomo absorbe energía en forma de calor, luz o electricidad. Los electrones pueden moverse de una órbita de menor energía a una órbita de mayor energía.


Absorción de energía: un átomo absorbe energía en forma de calor, luz o electricidad. Los electrones pueden moverse de una órbita de menor energía a una órbita de mayor energía.

Considera la ilustración de la página anterior. Aunque las vistas más modernas del átomo no 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 algo de calor a un átomo, podríamos esperar que algunos de los electrones en los orbitales de menor energía pasen a orbitales de mayor energía más alejados del núcleo.

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

Una vez que un electrón se mueve a una órbita de mayor energía, eventualmente desea volver al estado fundamental. Cuando lo hace, libera su energía como un fotón - Una partícula de luz. Ves átomos liberando energía como fotones todo el tiempo. Por ejemplo, cuando el elemento de calentamiento en una tostadora se vuelve rojo brillante, el color rojo es causado por los átomos, excitado por el calor, liberando fotones rojos. Cuando ves una imagen en la pantalla de un televisor, lo que estás viendo son átomos de fósforo, excitados por electrones de alta velocidad, que emiten diferentes colores de luz. Todo lo que produce luz (luces fluorescentes, lámparas de gas, bombillas incandescentes) lo hace a través de la acción de los electrones cambiando las órbitas y liberando fotones.

La conexión láser / átomo

UNA láser Es un dispositivo que controla la forma en que los átomos energizados liberan fotones. "Láser" es un acrónimo de Amplificación de luz por emisión estimulada de radiación., que describe muy sucintamente cómo funciona un láser.

Aunque hay muchos tipos de láseres, todos tienen ciertas características esenciales. En un láser, el medio láser se "bombea" para que los átomos entren en un estado excitado. Por lo general, los destellos muy intensos de luz o descargas eléctricas 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 estado excitado para que el láser funcione de manera eficiente. En general, los átomos se excitan a un nivel que está a dos o tres niveles por encima del estado fundamental. Esto aumenta el grado de inversión de la población. La inversión de la población es el número de átomos en el estado excitado frente al número en el estado fundamental.

Láseres

Una vez que se bombea el medio láser, contiene una colección de átomos con algunos electrones en niveles excitados. Los electrones excitados tienen energías mayores que los electrones más relajados. Al igual que el electrón absorbió cierta cantidad de energía para alcanzar este nivel excitado, también puede liberar esta energía. Como se ilustra en la siguiente figura, el electrón puede simplemente relajarse y, a su vez, deshacerse de algo de energía. Esta 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.

Luz laser

La luz láser es muy diferente de la luz normal. La luz láser tiene las siguientes propiedades:
  • La luz liberada es monocromo. Contiene una longitud de onda específica de la luz (un color específico). La longitud de onda de la luz está determinada por la cantidad de energía liberada cuando el electrón cae a una órbita más baja.
  • La luz liberada es coherente. Está "organizado": cada fotón se mueve al mismo ritmo que los demás. Esto significa que todos los fotones tienen frentes de onda que se lanzan al unísono.
  • La luz es muy direccional. Una luz láser tiene un haz muy ajustado y es muy fuerte y concentrada. Una linterna, por otro lado, libera la luz en muchas direcciones, y la luz es muy débil y difusa.

Para hacer que estas tres propiedades ocurran toma algo llamado emision estimulada. Esto no ocurre en su 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 cualquier átomo tiene una cierta longitud de onda que depende de la diferencia de energía entre el estado excitado y el estado fundamental. Si este fotón (que posee cierta energía y fase) debe encontrar otro átomo que tenga un electrón en el mismo estado excitado, puede ocurrir una emisión estimulada. El primer fotón puede estimular o inducir la emisión atómica de manera que el fotón emitido subsiguientemente (del segundo átomo) vibre con la misma frecuencia y dirección que el fotón entrante.

La otra clave para un láser es un par de espejos, uno en cada extremo del medio láser. Los fotones, con una longitud de onda y una fase muy específicas, se reflejan en los espejos para viajar de un lado a otro a través del medio láser. En el proceso, estimulan otros electrones para hacer que la energía aumente hacia abajo y pueden causar la emisión de más fotones de la misma longitud de onda y fase. Se produce un efecto de cascada, y pronto hemos propagado muchos, muchos fotones de la misma longitud de onda y fase. El espejo en un extremo del láser está "medio plateado", lo que significa que refleja algo de luz y deja pasar algo de luz. La luz que lo hace es la luz láser.

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

Láseres de rubí

Un láser de rubí consiste en un tubo de flash (como el que tendría en una cámara), una varilla de rubí y dos espejos (uno medio plateado). La varilla de rubí es el medio láser y el tubo de bombeo lo bombea.

Cómo funcionan los láseres: átomos

1. El láser en su estado no láser.

Cómo funcionan los láseres: energía

2. El tubo de flash se dispara e inyecta luz en la varilla de rubí. La luz excita los átomos en el rubí.

Cómo funcionan los láseres: átomos

3. Algunos de estos átomos emiten fotones.

Cómo funcionan los láseres: energía

4. Algunos de estos fotones se mueven en una dirección paralela al eje de Ruby, por lo que rebotan de un lado a otro de los espejos. A medida que pasan a través del cristal, estimulan la emisión en otros átomos.

Cómo funcionan los láseres: cómo


5. La luz monocromática, monofásica y de columnas deja el rubí a través del espejo semi plateado: ¡luz láser!

Láser de tres niveles

Esto es lo que sucede en un láser de tres niveles de la vida real.

Cómo funcionan los láseres: funcionan


En la siguiente sección, aprenderá acerca de los diferentes tipos de láser.

Tipos de láseres

Hay muchos tipos diferentes de láseres. El medio láser puede ser un sólido, gas, líquido o semiconductor. Los láseres se designan comúnmente por el tipo de material de láser empleado:

  • Láseres de estado sólido tenga material láser distribuido en una matriz sólida (como el rubí o neodimio: láseres "Yag" de itrio-aluminio granate). El láser de neodimio-Yag emite luz infrarroja a 1.064 nanómetros (nm). Un nanómetro es 1x10.-9 metros
  • Láseres de gas (Helio y helio-neón, HeNe, son los láseres de gas más comunes) tienen una salida primaria de luz roja visible. Los láseres de CO2 emiten energía en el infrarrojo lejano y se utilizan para cortar materiales duros.
  • Láseres excimer (el nombre se deriva de los términos emocionado y dímeros) use gases reactivos, como el cloro y el flúor, mezclados con gases inertes como el argón, el criptón o el xenón. Cuando se estimula eléctricamente, se produce una pseudo molécula (dímero). Cuando está activado, el dímero produce luz en el rango ultravioleta.
  • Láseres de tinte use tintes orgánicos complejos, como la rodamina 6G, en solución líquida o suspensión como medio láser. Son sintonizables en una amplia gama de longitudes de onda.
  • Láseres semiconductores, a veces llamados láseres de diodo, no son láseres de estado sólido. Estos dispositivos electrónicos son generalmente muy pequeños y usan poca energía. Pueden estar integrados en arreglos más grandes, como la fuente de escritura en algunas impresoras láser o reproductores de CD.

¿Cuál es tu longitud de onda?

UNA láser rubí (representado anteriormente) es un láser de estado sólido y emite a una longitud de onda de 694 nm. Se pueden seleccionar otros medios láser según la longitud de onda de emisión deseada (consulte la tabla a continuación), la potencia necesaria y la duración del pulso. Algunos láseres son muy potentes, como el láser de CO2, que puede cortar el acero. La razón por la que el láser de CO2 es tan peligroso es porque emite luz láser en la región infrarroja y de microondas del espectro. La radiación infrarroja es calor, y este láser básicamente se funde a través de lo que se enfoca.

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

Aquí hay algunos láseres típicos y sus longitudes de onda de emisión:

Tipo de laser 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
Neón de helio (verde)543
Neón de helio (rojo)633
Colorante rodamina 6G (sintonizable)570-650
Ruby (CrAlO3) (rojo)694
Nd: Yag (NIR)1064
Dióxido de carbono (FIR)10600

Clasificaciones laser

Cómo funcionan los láseres: átomos


Señal de advertencia de láser

Los láseres se clasifican en cuatro áreas amplias 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 I.A. - Esta es una designación especial que se aplica solo a los láseres que "no están diseñados para ser vistos", como un escáner láser de supermercado. El límite de potencia superior de la clase I.A. es de 4,0 mW.
  • Clase II - Estos son láseres visibles de baja potencia que emiten por encima de los niveles de Clase I pero a una potencia radiante no superior a 1 mW. El concepto es que la reacción de aversión humana a la luz brillante protegerá a una persona.
  • Clase IIIA - Estos son láseres de potencia intermedia (cw: 1-5 mW), que son peligrosos solo para la visualización dentro del equipo.La mayoría de los láseres apuntadores tipo pluma están en esta clase.
  • Clase IIIB - Estos son láseres de potencia moderada.
  • Clase IV - Estos son láseres de alta potencia (cw: 500 mW, pulsados: 10 J / cm2 o el límite de reflexión difusa), que es peligroso ver bajo cualquier condición (directa o difusa), y es un peligro potencial de incendio y un riesgo para la piel. Se requieren controles significativos de las instalaciones de láser de Clase IV.

Para obtener más información sobre los láseres y temas relacionados, echa un vistazo a los enlaces en la página siguiente.

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Sobre el Autor
Matthew Weschler tiene una maestría en Química Orgánica Física de la Universidad Estatal de Florida. Su tesis fue el tema de la espectroscopia láser de picosegundo, y estudió cómo reaccionan las moléculas en picosegundos después de ser bombardeado por la luz láser.


Suplemento De Vídeo: COMO FUNCIONA un LÁSER de corte ✅.




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