María Josefa Simón Delgado

Texto completo

(1)

http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia19/HTML/articulo08.htm

La radiación láser

María Josefa Simón Delgado Licenciada en Física. Investigadora del Instituto Superior de Ciencias y Tecnologías Nucleares (ISCTN). Tel. (537) 631750.

E-mail: mjsimon@fctn.isctn.edu.cu

Las aplicaciones de la radiación láser superan cualquier expectativa y ya constituyen herramientas insustituibles en las investigaciones científicas, la industria y la medicina.

En las fuentes de luz que se conocían a principios del siglo xx la emisión se produce

espontáneamente. En 1905, Albert Einstein habló de la posibilidad de lograr la emisión de la luz de forma estimulada, pero no es hasta los años sesenta de ese siglo que se crea el resonador

cuántico, o láser. En él, la emisión de la luz es estimulada y esta resulta coherente. Entre los pioneros en la construcción de los láseres se encuentran los soviéticos N. G. Básov y A. M. Prójorov, y el norteamericano C. Townes, a los que se les otorgó, en 1964, el Premio Nobel de Física por sus trabajos en esta materia.

La palabra LÁSER es un acrónimo de la expresión inglesa Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (luz amplificada por emisión estimulada de radiación).

¿Cómo se produce el láser?

Supongamos que en el interior de una cavidad encerrada entre dos espejos (un cilindro, por ejemplo), se encuentra el medio activo, que puede ser uno o más gases, un semiconductor, etc., y se produce la excitación de los electrones de sus átomos, por fotones, descarga gaseosa, corriente eléctrica, etc., de determinada energía. Los electrones excitados pasan a un nivel de energía superior y algunos de ellos regresan a su estado normal emitiendo fotones de energía equivalente a la diferencia de energía entre los dos niveles.

(2)

electrones, producen más fotones de iguales energías que se van desplazando a lo largo de la cavidad cilíndrica, aumentando así considerablemente el número de ellos, que viajan con la misma fase y en la misma dirección (coherentes). Los espejos aumentan el recorrido de los fotones coherentes, con lo que aumenta aún más su número. Finalmente, esta radiación sale del resonador por uno de los espejos, que es semitransparente.

La luz del láser posee todas las propiedades conocidas de la luz (ver «La energía de la luz», en

Energía y tú, no.17) y además, es coherente; por ello se logran efectos particulares en su interacción con la materia.

En el artículo mencionado se explica el proceso por el cual se emite luz espontáneamente. En la emisión estimulada, el fenómeno es parecido, sólo que estas ondas luminosas resultan

coherentes, viajan en una misma dirección, son extremadamente monocromáticas y se puede concentrar su energía en el tiempo y en el espacio. La radiación se puede enfocar en una superficie ínfima, creando una gran luminosidad.

La potencia de la radiación emitida depende de factores, como son el diseño del dispositivo, la naturaleza del medio activo empleado, la forma de excitación de este, etc.

Los láseres son muy variados, desde los de baja potencia, utilizados como punteros, hasta los de gran potencia, empleados para cortar distintos tipos de materiales, como los utilizados en cirugía. Su emisión puede ser de diferentes longitudes de onda en cada caso; de acuerdo con el medio activo empleado será infrarrojo, visible, ultravioleta o de rayos X. Por ejemplo, la luz de los láseres de helio-neón es roja, de 632,8 nanómetros de longitud de onda.

Tipos de láseres

Láseres de estado sólido

Los medios más comunes en los láseres de estado sólido son varillas de cristal de rubí, o vidrios, y cristales con impurezas de neodimio. Los extremos de la varilla se tallan de forma tal que sus superficies sean paralelas y se recubren con una capa reflectante no metálica. Los láseres de estado sólido proporcionan las emisiones de mayor energía. Normalmente funcionan por pulsos, generando un destello de luz durante un tiempo breve. Se han logrado pulsos de sólo 1,2 × 10-14

s, útiles para estudiar fenómenos físicos de duración muy corta. El bombeo se realiza mediante luz de tubos de destello de xenón, lámparas de arco o lámparas de vapor metálico. La gama de frecuencias se ha ampliado desde el infrarrojo (IR) hasta el ultravioleta (UV) al multiplicar la frecuencia original del láser con cristales de dihidrogenofosfato de potasio. También se han obtenido longitudes de onda más cortas, correspondientes a los ra-yos X, mediante otros procedimientos.

Aplicación del láser en la vida cotidiana.

Láseres gaseosos

(3)

bombeados por luz ultravioleta, hacesde electrones, corrientes eléctricas o reacciones químicas. El láser de helio-neón resalta por su elevada estabilidad de frecuencia, pureza de color y mínima dispersión del haz. Los láseres de dióxido de carbono son muy eficientes, y son los láseres de onda continua (Continous Waves, CW) más potentes.

Aplicación del láser en las investigaciones científicas.

Láseres semiconductores

Los láseres semiconductores son los más compactos, y suelen estar formados por una unión entre capas de semiconductores con diferentes propiedades de conducción eléctrica, formando un diodo. La cavidad del láser se mantiene confinada en la zona de la unión mediante dos límites

reflectantes. El arseniuro de galio es el semiconductor más usado. Los láseres semiconductores se bombean mediante la aplicación directa de corriente eléctrica a la unión, y pueden funcionar en modo CW con una eficiencia superior a 50 %. Se ha diseñado un método que permite un uso de la energía aún más eficiente. Implica el montaje vertical de láseres minúsculos, con una densidad superior al millón por centímetro cuadrado. Entre los usos más comunes de los láseres

semiconductores están los reproductores de discos compactos y las impresoras láser.

Aplicación del láseren las comunicaciones.

Láseres líquidos

(4)

Aplicación del láser en la industria.

Láseres de electrones libres

En 1977, se desarrollaron por primera vez láseres que emplean para producir radiación haces de electrones, no ligados a átomos, que circulan a lo largo de un campo magnético variable.

Actualmente, están adquiriendo importancia como instrumentos de investigación. Su frecuencia se puede regular, como ocurre con los láseres de colorante, y en teoría, un pequeño número podría cubrir todo el espectro, desde el infrarrojo hasta los rayos X. Con los láseres de electrones libres debería generarse radiación de muy alta potencia, que actualmente resulta demasiado costosa de producir.

Aplicaciones del láser

Las propiedades de la luz que se produce por emisión estimulada hacen que el uso del láser sea casi ilimitado. Se ha convertido en una herramienta muy valiosa que encuentra cada día nuevas aplicaciones en diferentes campos de la ciencia, la técnica y el arte. Mencionaremos algunas de ellas.

Industria

Es posible enfocar sobre un punto pequeño un haz de láser potente, con lo que se logra una enorme densidad de energía. Los haces enfocados pueden calentar, fundir o vaporizar materiales de forma precisa. Por ejemplo, los láseres se usan para taladrar diamantes, modelar máquinas herramientas, recortar componentes micro-electrónicos, calentar chips semiconductores, cortar patrones de moda, sintetizar nuevos materiales o intentar inducir la fusión nuclear controlada. El potente y breve pulso producido por un láser también permite obtener fotografías de alta velocidad, con un tiempo de exposición de algunas billonésimas de segundo. En la construcción de carreteras y edificios se utilizan láseres para alinear las estructuras.

Investigación científica

Los láseres se emplean para detectar los movimientos de la corteza terrestre y para efectuar medidas geodésicas. Son los detectores más eficaces de ciertos tipos de contaminación atmosférica. Con ellos se ha determinado la distancia entre la Tierra y la Luna con una elevada precisión. Se utilizan en investigaciones cósmicas y en experimentos de relatividad. Actualmente se desarrollan conmutadores muy rápidos activados por láser para su uso en aceleradores de partículas, y se han diseñado técnicas que emplean haces de láser para atrapar un número reducido de átomos en el vacío, con el objetivo de estudiar sus espectros. Con su ayuda los científicos han conseguido estudiar las estructuras moleculares. Los láseres permiten determinar la velocidad de la luz con una precisión sin precedentes. También inducen reacciones químicas de forma selectiva y detectan la existencia de trazas de sustancias en una muestra.

Comunicaciones

(5)

ejemplo, mil veces más canales de televisión de lo que transportan las microondas. Por ello, los láseres resultan ideales para las comunicaciones espaciales. Se han desarrollado fibras ópticas de baja pérdida que transmiten luz láser para la comunicación terrestre, en sistemas telefónicos y redes de computadoras. También se han empleado técnicas láser para registrar información con una densidad muy alta. Por ejemplo, el registro de un holograma, a partir del cual puede

reconstruirse una imagen tridimensional.

Tecnología militar

Los sistemas de guiado por láser para misiles, aviones y satélites son muy comunes. La capacidad de los láseres de colorante sintonizables para excitar de forma selectiva un átomo o molécula puede llevar a métodos más eficientes para la separación de isótopos en la fabricación de armas nucleares.

Medicina

Con haces intensos y estrechos de luz láser es posible cortar y cauterizar ciertos tejidos en una fracción de segundo, sin dañar al tejido sano circundante. El láser se ha empleado para soldar la retina, perforar el cráneo, reparar lesiones y cauterizar vasos sanguíneos. También se han desarrollado técnicas láser para realizar pruebas de laboratorio en muestras biológicas pequeñas. Es empleado en fisioterapia y

láserpuntura, sustituyendo a las agujas de acupuntura.

Figure

Actualización...

Related subjects :