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    Cómo funcionan los láseres
    Más allá de la etiqueta láser, puede encontrar láseres en objetos cotidianos como reproductores de CD o incluso taladros dentales. Imágenes de RichLegg / Getty

    "Guerra de las Galaxias, " "Star Trek, "" Battlestar Galactica ":la tecnología láser juega un papel fundamental en las películas y libros de ciencia ficción. Sin duda, gracias a este tipo de historias, ahora asociamos los láseres con guerras futuristas y elegantes naves espaciales.

    Pero los láseres juegan un papel fundamental en nuestra vida diaria, también. El hecho es, aparecen en una asombrosa gama de productos y tecnologías. Los encontrará en todo, desde reproductores de CD hasta taladros dentales, máquinas de corte de metal 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 hace que una luz láser sea diferente de otros tipos de luz? ¿Cómo se clasifican los láseres?

    En este articulo, aprenderá todo sobre los diferentes tipos de láseres, sus diferentes longitudes de onda y los usos que les damos. Pero primero, comencemos con los fundamentos de la tecnología láser:vaya a la página siguiente para descubrir los fundamentos de un átomo.

    Contenido
    1. Los fundamentos de un átomo
    2. Absorber energía
    3. La conexión láser / átomo
    4. Luz laser
    5. Láseres de rubí
    6. Láser de tres niveles
    7. Tipos de láseres
    8. ¿Cuál 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. HSW

    Solo hay alrededor de 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. La forma en que estos átomos se organizan y enlazan determina si los átomos forman una taza de agua, una pieza de metal, ¡o el burbujeo que sale de tu lata de refresco!

    Los átomos están en constante movimiento. Vibran continuamente, moverse y rotar. 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 emocionado. El nivel de excitación depende de la cantidad de energía que se aplica al átomo a través del calor, luz, o electricidad.

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

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

    Absorber energía

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

    Considere la ilustración de la página anterior. Aunque las visiones 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 energía más baja pasaran a orbitales de energía más alta 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 láseres.

    Una vez que un electrón se mueve a una órbita de mayor energía, eventualmente quiere 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 calefactor de una tostadora se vuelve rojo brillante, el color rojo es causado por átomos, excitado por el calor, liberando fotones rojos. Cuando vea una imagen en la pantalla de un televisor, lo que ves son átomos de fósforo, excitado por electrones de alta velocidad, emitiendo diferentes colores de luz. Cualquier cosa que produzca luz:luces fluorescentes, linternas de gas, Bombillas incandescentes:lo hace mediante la acción de electrones que cambian de órbita y liberan fotones.

    La conexión láser / átomo

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

    Aunque existen 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. Típicamente, 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 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 estado excitado versus el número en estado fundamental.

    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. Así como el electrón absorbió cierta cantidad de energía para alcanzar este nivel de excitación, también puede liberar esta energía. Como ilustra la figura siguiente, el electrón puede simplemente relajarse, ya su vez se deshace 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. Dos átomos idénticos con electrones en estados idénticos liberarán fotones con longitudes de onda idénticas.

    Luz laser

    La luz láser es muy diferente a la normal y 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 a una órbita más baja.
    • La luz liberada es coherente . Está "organizado":cada fotón se mueve al paso de 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 rayo muy estrecho y es muy fuerte y concentrada. Una linterna, por otra parte, libera luz en muchas direcciones, y la luz es muy débil y difusa.

    Para que ocurran estas tres propiedades se necesita algo llamado emision estimulada . Esto no ocurre con su linterna ordinaria, en una linterna, todos los átomos liberan sus fotones al azar. En emisión estimulada, la emisión de fotones está organizada.

    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) se encuentra con otro átomo que tiene un electrón en el mismo estado excitado, puede producirse 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 de un láser es un par de espejos , uno en cada extremo del medio láser. Fotones, con una longitud de onda y una fase muy específicas, reflejarse en los espejos para viajar hacia adelante y hacia atrás a través del medio láser. En el proceso, estimulan a otros electrones para que hagan saltar la energía hacia abajo y pueden provocar la emisión de más fotones de la misma longitud de onda y fase. Se produce un efecto de cascada, y pronto nos 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 un poco de luz y deja pasar un poco de luz. La luz que lo atraviesa es la luz láser.

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

    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 flash lo bombea.

    2. El tubo de flash dispara e inyecta luz en la varilla de rubí. La luz excita los átomos del rubí. Como funcionan las cosas 3. Algunos de estos átomos emiten fotones. Como funcionan las cosas 4. Algunos de estos fotones corren en una dirección paralela al eje del rubí, por lo que rebotan hacia adelante y hacia atrás en los espejos. Mientras atraviesan el cristal, estimulan la emisión en otros átomos. Como funcionan las cosas 5. Monocromático, fase única, la luz en columna deja el rubí a través del espejo semiplateado:¡luz láser! Como funcionan las cosas

    Láser de tres niveles

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

    Como funcionan las cosas

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

    Tipos de láseres

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

    • Láseres de estado sólido tienen material láser distribuido en una matriz sólida (como los láseres de rubí o neodimio:granate de itrio-aluminio "Yag"). 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 ) utilizan gases reactivos, como el cloro y el flúor, mezclado con gases inertes como el argón, criptón o xenón. Cuando se estimula eléctricamente, se produce una pseudo molécula (dímero). Cuando lased, el dímero produce luz en el rango ultravioleta.
    • Láseres de tinte utilizar tintes orgánicos complejos, como rodamina 6G, en solución o suspensión líquida como medio láser. Se pueden sintonizar 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 consumen poca energía. Pueden integrarse en matrices más grandes, como la fuente de escritura en algunas impresoras láser o reproductores de CD.

    ¿Cuál es tu longitud de onda?

    A láser de 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 en función de la longitud de onda de emisión deseada (consulte la tabla a continuación), energía necesaria, y duración del pulso. Algunos láseres son muy poderosos, como el láser de CO2, que puede cortar acero. La razón por la que el láser de CO2 es tan peligroso es porque emite luz láser en la región de infrarrojos y microondas del espectro. La radiación infrarroja es calor, y este láser básicamente se derrite a través de todo 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 generalmente emiten un haz de luz rojo que tiene una longitud de onda entre 630 nm y 680 nm. Los láseres se utilizan en la industria y la investigación para hacer 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 (en nanómetros):

    • 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
    • Helio neón (rojo) 633
    • Colorante de rodamina 6G (sintonizable):570-650
    • Ruby (CrAIO 3 ) (rojo):694
    • Nd:Yag (NIR):1064
    • Dióxido de carbono (FIR):10600

    Clasificaciones láser

    Los láseres se clasifican en cuatro áreas amplias según el potencial de causar daño biológico . Cuando veas 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 peligro conocidos.
    • Clase I.A. - Esta es una designación especial que se aplica solo a los láseres que "no están destinados a la visualización, "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 - Son láseres de potencia intermedia (cw:1-5 mW), que son peligrosos solo para la visualización intrahaz. La mayoría de los láseres apuntadores con forma de bolígrafo pertenecen a esta clase.
    • Clase IIIB - Son láseres de potencia moderada.
    • Clase IV - Son láseres de alta potencia (cw:500 mW, pulsado:10 J / cm 2 o el límite de reflexión difusa), que son peligrosos para ver bajo cualquier condición (directa o difusamente dispersos), y son un peligro potencial de incendio y un peligro para la piel. Se requieren controles importantes de las instalaciones láser de Clase IV.

    Para obtener más información sobre láseres y temas relacionados, echa un vistazo a los enlaces que siguen.

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    Sobre el Autor

    Matthew Weschler tiene una maestría en Química Orgánica Física de la Universidad Estatal de Florida. El tema de su tesis fue la espectroscopia láser de picosegundos, y estudió cómo las moléculas reaccionan picosegundos después de ser bombardeadas por luz láser.

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