Láser.- ¿Que es un Láser?
Láser.- La palabra láser es un acrónimo que significa Light Amplified by Stimulated Emission of Radiation (Luz amplificada por emisión estimulada de radiación). Un láser es básicamente 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 interacción de átomos con fotones. Tan solo diremos aquí que este particular mecanismo de emisión confiere a la luz unas propiedades muy interesantes, como son la alta potencia (y su capacidad para ser amplificada), la direccionalidad (emisión 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 ondas electromagnéticas que forma el haz de luz marchan “al paso”, es decir perfectamente ordenadas y en una misma direcci{o.
*La luz láser en coherente en tanto que la luz convencional es incoherente.
Tomado de:
“Centro de Láseres pulsados”
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¿Cómo funciona un láser?
Cualquier láser contiene al menos tres elementos fundamentales: un medio activo, un sistema de bombeo y una cavidad resonante. El medio activo es el material (sólido, líquido o gaseoso) que emite la luz. Para que emita luz el medio activo hay que excitarlo de alguna manera, del mismo modo que el filamento de una bombilla necesita una corriente eléctrica que pase por él; ese es el cometido del sistema de bombeo. El sistema de bombeo puede consistir en otro láser, una lámpara convencional, o una corriente o descarga eléctrica, dependiendo del tipo de láser. El medio activo se coloca entre dos espejos que forman una cavidad resonante, esto es, la luz rebota entre los dos espejos y ayuda a la amplificación del mismo modo que la caja de resonancia de una guitarra amplifica las ondas acústicas. Uno de los espejos es semi-reflectante por lo que parte de la luz amplificada sale de la cavidad resonante en forma de haz.
El secreto del láser está en el medio activo que, debidamente bombeado, debe posibilitar la inversión de población y la emisión estimulada. Además de estos componentes básicos un láser puede tener otros dispositivos intracavidad para modificar o controlar las características de la luz emitida (longitud de onda, pulsación, etc.), o elementos externos a la cavidad para amplificar la luz (a través de otro medio activo con su correspondiente bombeo) o modificar la duración de pulso, tasa de repetición, longitud de onda, polarización, etc.
¿Qué son la emisión espontanea, la emisión estimulada y la inversión de población?
Para comprender con detalle cómo funcionan el láser hay que entender primero cómo se produce la emisión de luz a nivel de los átomos y, por tanto, hay que saber lo que es un átomo. Un átomo se puede considerar como un núcleo alrededor del cual se mueven unos electrones con unas energías bien determinadas. Los electrones no pueden poseer cualquier valor de la energía sino solamente unos valores bien definidos que se identifican como niveles, algo así como los peldaños de una escalera. Ahora bien, un electrón puede pasar de un nivel de energía a otro emitiendo o absorbiendo una unidad de luz (llamada fotón) con una energía igual a la diferencia entre los dos niveles de la transición.
El átomo se puede considerar como un núcleo rodeado por electrones que se mueven con unas energías bien definidas.
Cuando un electrón se encuentra en un nivel de energía elevado, tiende a caer espontáneamente a un nivel de energía inferior con la subsiguiente emisión de luz. Esto es lo que se llama emisión espontánea y es la responsable de la mayor parte de la luz que vemos. Por otro lado, un fotón puede estimular la caída de un electrón a un nivel inferior si tiene una energía igual a la diferencia entre los dos niveles, en ese caso se emitirá un segundo fotón idéntico al que ha inducido la transición. Esta es la llamada emisión estimulada. El proceso contrario, aquel en el que el fotón se absorbe induciendo la subida de un electrón a un nivel de energía superior, se llama absorción estimulada.
El hecho de que la emisión estimulada produzca dos fotones idénticos a partir de un fotón inicial es precisamente lo que permite amplificar la luz y es también responsable de que la luz generada por emisión estimulada sea coherente, es decir que las ondas electro-magnéticas que forman el haz de luz marchen “al paso”. Pero, para que sea posible amplificar la luz por emisión estimulada, es necesario además que en el medio activo haya un número mayor de electrones en el nivel de energía superior que en el inferior; esto es lo que se llama inversión de población. Si por el contrario hubiera más electrones en el nivel inferior que en el superior, entonces predominaría la absorción, y el medio amortiguaría la energía de la luz en vez de amplificarla.
La inversión de población es el “principio vital” de los láseres, y se consigue mediante el bombeo adecuado de ciertos materiales con niveles de energía electrónicos metaestables, es decir, con niveles de energía en los cuales los electrones tardan un tiempo relativamente largo en desexcitarse por emisión espontánea, lo cual favorece precisamente la acumulación de electrones en el estado de energía superior.
La luz láser se amplifica por emisión estimulada: por cada fotón incidente se producen dos fotones idénticos.
¿Para qué sirven los láser?
Cuando se inventó el láser en 1960, no servía para nada. De hecho en aquellos tiempos, algunos científicos se referían al láser como “una solución en busca de problema”. Hoy sin embargo la situación es muy diferente y el láser ha encontrado tantas aplicaciones que son imposibles de enumerar aquí. En el libro “El láser, la luz de nuestro tiempo”, que puedes solicitarnos gratuitamente, encontrarás una relación exhaustiva de las aplicaciones más importantes de los láseres. De todos modos, para los científicos el láser es sobre todo una herramienta de investigación. En “El láser, la luz de nuestro tiempo” se recogen también las principales aplicaciones científicas del láser.
¿Qué tipos de láser hay?
Existen muchísimos tipos de láseres diferentes. Estos se pueden clasificar por su longitud de onda de emisión, desde las microondas hasta los rayos X; por su potencia, desde milivatios hasta petavatios; por su régimen de emisión, pulsados o continuos; o por las características de su medio activo, sólidos, líquidos o gaseosos; y cada uno de estos tipos tiene unas utilidades muy diversas. Los láseres del CLPU son láseres pulsados de estado sólido (Titanio:Zafiro) que emiten luz infrarroja. En el libro “El láser, la luz de nuestro tiempo”, que puedes solicitarnos gratuitamente, puedes encontrar detalles sobre cada uno de los tipos de láser. La tabla siguiente resume las características de algunos de los tipos de láser más importantes.
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La nueva revolución en láseres.- El láser de Fibra
(*) La luz de estos láseres suele doblarse en frecuencia mediante un proceso llamado generación de segundo armónico, dando lugar a un haz de luz verde.
(**) Los láseres de electrones libres se basan en un mecanismo completamente distinto al del resto de láseres y no tienen un medio activo propiamente dicho.