Introducción

A pesar de que el rayo laser existe desde los años 60`, poco a poco fue abriéndose paso en cuanto a utilidades en diversos campos de la vida cotidiana, tal es así el caso que se encuentra presente tanto en la medicina, como en lo informático.

Poco a poco este fenómeno fue introduciéndose en nuestra vida, pero sabemos realmente ¿que es, o como funciona?, la idea dentro de este trabajo practico es poder responder a aquellas preguntas cotidianas sobre los laser y que muchas veces no son respondidas debido a la falta de conocimiento sobre los mismos.

Objetivos

Conocer sobre la historia del laser.

Comprender su funcionamiento.

Conocer sus aplicaciones actuales y posibles futuras.

Laser

Historia

La historia comenzó en 1916, cuando Albert Einstein estudiaba el comportamiento de los electrones en el interior del átomo. Por regla general, los electrones son capaces de absorber o emitir luz. En realidad, los electrones emiten luz espontáneamente sin ninguna intervención externa. Sin embargo, Einstein previó la posibilidad de estimular los electrones para que emitiesen luz de una longitud de onda determinada.

El primer láser es uno de rubí y funcionó por primera vez el 16 de mayo de 1960. Fue construido por Theodore Maiman.

Predecesor

En 1953, Charles H. Townes y los estudiantes de postgrado James P. Gordon y Herbert J. Zeiger construyeron el primer máser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation o amplificador de microondas por la emisión estimulada de radiación) un dispositivo que funcionaba con los mismos principios físicos que el láser pero que produce un haz coherente de microondas. En una fase posterior, la investigación se encaminó al estudio de un método para producir este tipo de radiación estimulada en el caso de la luz visible. Surgió, así, en los años sesenta, el denominado máser óptico, el láser.

Imagen en donde se muestra el espectro electromagnético y sus clases de radiaciones

Significado

La palabra “láser” es la sigla de la expresión “light amplification by stimulated emission of radiation” que significa “amplificación de luz por emisión estimulada de radiación”. Esta misma palabra se utiliza para dar nombre al dispositivo que realiza este proceso y para calificar la luz emitida por aquél. Para producir este tipo de luz se debe estimular una substancia para que emita radiación lumínica y amplificar esta luz en un solo sentido (de ahí se deriva su nombre).

Componentes principales

1. Medio activo para la formación del láser
2. Energía bombeada para el láser
3. Espejo reflectante al 100%
4. Espejo reflectante al 99%

5. Emisión del rayo láser

El láser está formado por un núcleo, que suele tener forma alargada, donde se generan los fotones. El núcleo puede ser una estructura cristalina, por ejemplo rubí, o un tubo de vidrio que contiene gases, por lo general dióxido de carbono o la mezcla helio-neón. En cualquier caso, son materiales que poseen electrones fácilmente excitables y que no emiten inmediatamente de forma espontánea, sino que pueden quedar excitados durante un tiempo mínimo. Es precisamente este pequeño intervalo de tiempo el que se necesita para que los electrones produzcan emisión estimulada, no espontánea.

Junto al núcleo se halla el excitador, un elemento capaz de provocar la excitación de electrones del material que se halla en el núcleo, a partir de una lámpara de destellos que provoca un flash semejante al de una cámara fotográfica o de dos electrodos que producen una des-carga eléctrica de alta tensión.

El tercer componente del láser son dos espejos paralelos emplazados en los extremos del núcleo. Uno de ellos es reflectante, mientras el segundo es semirreflectante, es decir, permite el paso de una parte de la luz que le llega.

Propiedades de la luz laser

La luz coherente o láser tiene tres características fundamentales.

• Polarización: Los rayos de luz viajan en una misma dirección (con muy baja divergencia).

• Longitud de Onda: Toda la luz que compone el haz láser tiene la misma longitud de onda (es de un solo color puro).

• Fase: Las crestas y valles de las ondas de luz concuerdan a lo largo del haz.

Fundamentos teóricos en los cuales se basa el laser

El funcionamiento del laser se basa en el comportamiento de los átomos, estos están en constantemente movimiento y pueden tener distintos estados de excitación. La energía de un electrón depende de la cercanía de las orbitas al núcleo, cuanto más lejana sea la órbita al núcleo, esta posee más energía y viceversa.

Cuando un electrón es golpeado por un paquete de energía puede pasar por un momento de una órbita más cercana al núcleo a otra más lejana, es decir de mayor energía. Cuando el electrón regresa a su órbita original libera esa energía acumulada en forma de un fotón.

Funcionamiento

Los láseres obligan a los átomos a almacenar luz y emitirla en forma coherente. Primero, los electrones de los átomos del láser son bombeados hasta un estado excitado por una fuente de energía. Después, se los “estimula” mediante fotones externos para que emitan la energía almacenada en forma de fotones, mediante un proceso conocido como emisión estimulada. Los fotones emitidos tienen una frecuencia que depende de los átomos en cuestión y se desplazan en fase con los fotones que los estimulan. Los fotones emitidos chocan a su vez con otros átomos excitados y liberan nuevos fotones. La luz se amplifica a medida que los fotones se desplazan hacia atrás y hacia adelante entre dos espejos paralelos desencadenando nuevas emisiones estimuladas. Al mismo tiempo, la luz láser, intensa, direccional y monocromática, se “filtra” por uno de los espejos, que es sólo parcialmente reflectante.

Dicho de otra forma, mas simplificada, primero se excita a los átomos de un elemento mediante la inducción de energía, después se estimula a esos átomos excitados con fotones, haciendo que los átomos excitados liberen la energía en forma de fotones, luego la luz emitida es reflejada por uno de los espejos reflectantes y otra vez reflejada por el otro espejo paralelo, generando así una reacción que libera mas fotones, pero una porción de la luz es filtrada por uno de los espejos, produciendo así la emisión del laser.

Tipos de láser

Según el medio que emplean, los láseres suelen denominarse de estado sólido, de gas, de semiconductores o líquidos.

• 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.

• Láseres de gas: el medio de un láser de gas puede ser un gas puro, una mezcla de gases o incluso un vapor metálico, y suele estar contenido en un tubo cilíndrico de vidrio o cuarzo.

• Láseres de semiconductores  Los láseres de semiconductores son los más compactos, y suelen estar formados por una unión entre capas de semiconductores con diferentes propiedades de conducción eléctrica. El arseniuro de galio es el semiconductor más usado. Entre los usos más comunes de los láseres de semiconductores están los reproductores de discos compactos y las impresoras láser.

• Láseres líquidos  Los medios más comunes en los láseres líquidos son tintes inorgánicos contenidos en recipientes de vidrio.

• 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 las líneas de un campo magnético; actualmente están adquiriendo importancia como instrumentos de investigación.

Aplicaciones

Los posibles usos del láser son casi ilimitados. El láser se ha convertido en una herramienta valiosa en la industria, la investigación científica, la tecnología militar, etc.

• Industria: Cortado, guiado de maquinaria y robots de fabricación, mediciones de distancias precisas mediante láser, también se usan para taladrar diamantes, modelar máquinas herramientas, recortar componentes microelectrónicos, calentar chips semiconductores, cortar patrones de moda, sintetizar nuevos materiales, entre otras aplicaciones.

• 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. permiten inducir reacciones químicas de forma selectiva entre otras mucha más aplicaciones.

• Medicina: Con haces intensos y estrechos de luz láser es posible realizar Operaciones sin sangre, tratamientos quirúrgicos, ayudas a la cicatrización de heridas, tratamientos de piedras en el riñón, operaciones de vista, operaciones odontológicas, Tratamientos de Acné, celulitis, tratamiento de las estrías, depilación.

• Tecnología militar: Los sistemas de guiado por láser para misiles, aviones y satélites son muy comunes. A su vez permite una manera más eficiente en la separación de isótopos en la fabricación de armas nucleares, también son una alternativa al Radar y permiten a su vez el cegado a las tropas enemigas.

• Ingeniería Civil: Se utiliza el laser para el guiado de máquinas tuneladoras en túneles, diferentes aplicaciones en la topografía como mediciones de distancias a lugares inaccesibles o realización de un modelo digital del terreno 

• Arquitectura: catalogación de Patrimonio.

• Desarrollos en productos comerciales: Impresoras láser, CD, ratones ópticos, lectores de código de barras, punteros láser, termómetros, hologramas, aplicaciones en iluminación de espectáculos.

Comparación

Luz eléctrica: La cantidad de luz de una lamparita es superior a la de un laser, solo que esta no tiene una longitud de onda, ni dirección determinada.

Luz Laser: Es direccionada y tiene una longitud de onda determinada. Su potencia radica en la concentración de los fotones en un haz estrecho.

Conclusión

Al realizar este trabajo pudimos comprender la naturaleza del laser y su funcionamiento, conocer su historia, sus componentes básicos y sus múltiples utilidades en la vida moderna.