Índice de contenidos.

Introducción…………………………………………………………………………1

Historia de LASER………………………………………………………………….2

Fundamentos físicos del LASER……………………………………………………3

• Propiedades.

• Componentes.

• Tipos de LASER.

• Parámetros.

Aplicaciones generales………………………………………………………………8

• Industria

• I+D

• Comunicaciones

• Medicina

• Tec. Militar

• LASER atómico

Aplicaciones en informática………………………………………………………..12

• Introducción

• Tipos de discos

• Lectura de CD/DVD

• Grabación de CD/DVD

Historia del LASER.

La historia comenzó en 1916, cuando Albert Einstein estudiaba el comportamiento de los electrones en el interior del átomo. Einstein previó la posibilidad de estimular los electrones para que emitiesen luz de una longitud de onda determinada. A pesar de que R. Ladenberg verificó el pronóstico de Einstein en 1928, nadie pensó seriamente en construir un dispositivo basado en el fenómeno en cuestión hasta principios de los años cincuenta.

La primera propuesta conocida para la amplificación de la emisión estimulada apareció en una solicitud de patente soviética en el año 1951, presentada por V.A. Fabrikant y dos de sus alumnos. Sin embargo, dicha patente no se publicó hasta 1959, y por consiguiente no afectó a los demás investigadores. En 1953, Joseph Weber, propuso la amplificación de la emisión estimulada y, al año siguiente, los rusos Basov y Prokhorov, escribieron un artículo explorando mucho más a fondo el concepto.

Townes estaba interesado en generar ondas cortas para sus investigaciones, que era algo que no había logrado todavía. Esta revelación tuvo una importancia trascendental para el LASER. La idea de Townes, según sus propias palabras en aquella época, "solo parecía factible en parte". Siguiendo el método tradicional de los catedráticos de física, formuló el problema en forma de tema para una tesis y se lo ofreció a James P. Gordon, alumno licenciado de la universidad de Columbia. Tres años más tarde, Gordon, Townes y Herbert Zeiger habían logrado construir en Columbia el primer máser (amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación).

El nuevo campo atrajo a numerosos investigadores, pero las aplicaciones eran muy pocas y los físicos querían ir más allá, lo que provocó la gran carrera en busca del primer LASER.

En noviembre de 1957, transcurridos apenas dos meses desde que Townes hubiera esbozado su máser óptico, Gould comenzó a describir su propia idea para la construcción de un aparato semejante utilizando, por primera vez, el término LASER. Gould se puso a trabajar en una pequeña agencia. El Pentágono se interesó por el poder calorífico del LASER y sus aplicaciones bélicas, por lo que decidió encargarle el proyecto a la agencia en la que trabajaba Gould con un presupuesto de un millón de dólares. En esa época se dio la `caza de brujas' y Gould, por un pequeño coqueteo que tuvo con el marxismo en los años cuarenta, se vio obligado a trabajar apartado del resto de sus compañeros, fue excluido de su propio proyecto.

Por otro lado, Townes y Schawlow no contaron con esta ayuda por parte del gobierno, por lo que pudieron dedicarse a trabajar tranquilamente en el desarrollo del LASER en la universidad de Columbia y en los laboratorios Bell, respectivamente. A pesar de todo esto, en los años cincuenta todavía nadie había construido un LASER.

En Malibu, el físico Theodore H. Maiman había estado utilizando un rubí sintético como cristal para un máser y lo había estudiado con suma atención. Maiman construyó un pequeño artefacto que consistía en un cristal cilíndrico de rubí de un centímetro aproximado de diámetro, rodeado de una lámpara espiral intermitente. Los extremos de la barra de rubí habían sido cubiertos con el fin de que actuasen como espejos, condición necesaria para la oscilación del LASER. Cuando el cristal recibía ráfagas de luz de unas millonésimas de segundo de duración, producía breves pulsaciones de luz LASER. El 7 de julio de 1960, Maiman comunicó a la prensa que había hecho funcionar el primer LASER. El tamaño de este LASER era muy pequeño, de unos escasos centímetros de longitud. El LASER de Maiman producía unos 10.000 vatios de luz, pero duraba escasamente unas millonésimas de segundo en un momento dado y correspondía a un extremo tan rojo del espectro luminoso que era casi invisible. Se precisaban delicados instrumentos para comprobar que las pulsaciones no eran simplemente fluorescentes, sino que correspondían a un tipo de luz que nadie había visto hasta entonces: la luz LASER.

Durante el año 1960 se construyó el primer LASER de gas y dos nuevos modelos de cristal, uno de los cuales era de Schawlow. En 1961 se descubrieron dos nuevos tipos de LASER, uno de ellos debido al equipo de Gould de la TRG Inc. Al igual que el de Maiman, funcionaba por bombeo óptico, pero el material activo era vapor de cesio (un metal). El verdadero auge comenzó en 1962, y en 1965 la actividad del LASER había sido observada en mil longitudes de onda diferentes, y ello sólo en los gases.

En 1964, Townes, Basov y Prokhorov compartieron el premio Nóbel de física. A Townes se le otorgó la patente del máser. A Maiman se le otorgó una patente por su LASER de rubí. En 1977 le fue otorgada una patente a Gould relacionada con la técnica del bombeo óptico y en 1979, Gould recibió una segunda patente que cubría una amplia gama de aplicaciones del LASER.

Fundamentos físicos del LASER.

El término láser es el acrónimo de “light amplification by stimulated-emission of radiation”. Albert Einstein, en 1917, a partir de su propia teoría sobre la naturaleza corpuscular de la luz (1916), anunció el concepto de “emisión estimulada” que es en esencia el fenómeno en el que se basa el láser.

Cada electrón tiene en cada orbital una cantidad específica de energía. Cuanto más cerca esté el electrón del núcleo menos energía tendrá. Cuando un electrón gana energía pasa a un nivel más alto y se dice que se encuentra en un estado excitado. Al volver a su estado de energía, la diferencia de energía se emite en forma de fotón. Si nosotros lo estimulamos con otro fotón exactamente igual al primero que lo estimuló pasaría al nivel de energía superior, y al descender al estado original, formaría dos fotones de luz, que serán idénticos en longitud de onda, fase y coherencia espacial; esto se llama "emisión estimulada". Ambos fotones son capaces de estimular la emisión de más fotones semejantes a ellos mismos, y cada uno de estos formará una luz con unas características especiales.

Por el hecho de que la luz es reflejada entre espejos paralelos, la salida del láser tiene una serie de propiedades:

• La luz del láser es “intensa”.

• La luz láser es “monocromática” ya que los fotones que la forman tienen la misma energía y pertenecen a una misma longitud de onda y mismo color, es decir, tienen una ubicación específica dentro del espectro electromagnético.

• Esta luz es “coherente”. Esto significa que todas las ondas que conforman el haz láser, están en cierta fase relacionadas una con otra, tanto en tiempo como en espacio. Esto se debe a que cada fotón está en fase con el fotón entrante.

• La luz láser es “colimada”, o lo que es lo mismo, en una sola dirección, ya que todas las ondas emitidas están casi paralelas y por tanto no hay divergencia del rayo de luz, por lo que permanece invariable aún después de largos recorridos.

Componentes del LASER.

Un medio amplificador, como un tubo del vacío, en el cual se encuentran los átomos a excitar.

Un generador de energía de alto voltaje utilizado para excitar los átomos a niveles de energía más altos.

Un resonador óptico formado por dos espejos altamente pulidos: uno de reflexión total y otro de reflexión parcial. Éstos reflejan los fotones coherentes de un lado a otro para repetir el proceso de emisión estimulada continuamente hasta que se forma un diluvio de fotones coherentes que, a una cierta magnitud, el espejo semitransparente no puede sostener y forma el láser.

Tipos de LASER.

El LASER puede clasificarse de diversos modos:

• Por el rango espectral: ultravioleta (UV), visible (VIS), infrarrojo cercano (NIR), infrarrojo (IR).

• Por el mecanismo de excitación: descarga eléctrica, inyección de corriente, bombeo óptico incoherente o por láser químico.

• Por las aplicaciones: ciencia, industria, medicina, comunicaciones.

• La forma más habitual de clasificación es por la forma de emisión.

Continuos

Los láseres continuos son láseres cuya salida es un haz de luz continuo. Operan con un haz de potencia media muy estable.

Pulsados

Los láseres pulsados operan por períodos de tiempo muy cortos. Pueden producir extremadamente altos picos de potencia, pero solo por periodos cortos de tiempo. El tamaño del pulso es habitualmente de unos pocos nanosegundos.

Ultra-rápidos

Los láseres continuos producen muchos modos longitudinales. La tasa de repetición del pulso está determinada por el tiempo que el haz tarda en recorrer la cavidad. Los láseres ultrarrápidos hacen que la duración del pulso sea menor haciendo que interfieran más modos.

Otra forma muy habitual de clasificar los láseres es por el medio activo que usen:

Gas

Usan como medio activo el gas. Se excitan por una descarga eléctrica.

Estado sólido

Usan como medio activo un centro de impureza en un cristal. Operan a una frecuencia de 1064 nm, pero permiten doblado de frecuencias hasta llegar incluso a 213.

De colorante

Usan como medio activo una solución molecular orgánica colorante, disuelta en un solvente. Suelen usar como medio de bombeo una lámpara flash. Cubren un ancho de banda de 330 nm - 1020 nm.

Semiconductores

Usan diodos emisores de luz dentro de una cavidad resonante. Una corriente pasa a través del diodo produciendo emisión de luz cuando los electrones y huecos se recombinan en la unión p-n. Debido al pequeño tamaño del medio activo, la salida del láser es muy divergente y requiere una óptica especial para producir una buena forma de haz. Estos son el tipo de láseres que se utilizan en los reproductores de CD.

Parámetros importantes.

Longitud de onda:

m = 2*L/m

L = Longitud de cavidad óptica

m = Número de modo

m = Longitud de onda dentro del medio activo

Frecuencia:

m = c/(n*m)

Sustituyendo m en la última ecuación:

m = m*[c/(2*n*L)]

n = Índice de refracción del medio activo

La expresión de los corchetes es el primer modo de oscilación disponible para esta cavidad óptica. Este modo se denomina modo longitudinal básico y esta es la frecuencia básica de la cavidad óptica.

Las frecuencias de cada modo láser es igual a un número entero de veces la frecuencia básica del modo longitudinal.

Ganancia:

El efecto amplificador o ganancia del láser puede tener un ancho de banda mayor que el espaciado entre los diferentes modos. Como consecuencia, muchos láseres pueden operar en diferentes modos longitudinales.

Aplicaciones del LASER.

Industria.

Es posible enfocar sobre un punto pequeño un haz de LASER potente, con lo que se logra una enorme densidad de energía. Los haces pueden calentar, fundir o vaporizar materiales de forma precisa.

Por ejemplo, los LASER 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 LASER también hace posibles fotografías de alta velocidad con un tiempo de exposición algunas de una millonésima de segundo.

En la construcción de carreteras y edificios de utilizan LASER para alinear las estructuras.

Metales laminados.	Sellos de goma.		Identificación de partes.
Cerámicos.		Corte y grabado.

Investigación científica.

Los LASER se emplean para detectar los movimientos de la corteza terrestre y para efectuar medidas geodésicas. También son los detectores más eficaces de ciertos tipos de contaminación atmosférica.

Los LASER se han empleado igualmente para determinar con precisión la distancia entre la tierra y la luna y en experimentos de relatividad. Actualmente se desarrollan conmutadores muy rápidos activados por LASER para su uso en aceleradores de partículas, y se han diseñado técnicas que emplean haces de LASER para atrapar un número reducido de átomos en un vacío con el fin de estudiar sus espectros con una precisión muy elevada.

Como la luz del LASER es muy direccional y monocromática, resulta fácil detectar cantidades muy pequeñas de luz dispersa o modificaciones en la frecuencia provocadas por materia. Midiendo estos cambios, los científicos han conseguido estudiar las estructuras moleculares. Los LASER han hecho que se pueda determinar la velocidad de la luz con una precisión sin precedentes; también permiten inducir reacciones químicas de forma selectiva y detectar la existencia de trazas de sustancias en una muestra.

Comunicaciones.

La luz de un LASER puede viajar largas distancias por el espacio exterior con una pequeña reducción de la intensidad de la señal. Debido a su alta frecuencia, la luz LASER puede transportar, por ejemplo, 1.000 veces más canales de televisión de lo que transportan las microondas.

Por ello, los LASER resultan ideales para las comunicaciones espaciales. Se han desarrollado fibras ópticas de baja pérdida que transmiten luz LASER para la comunicación terrestre, en sistemas telefónicos y redes de computadoras.

También se han empleado técnicas LASER para registrar información con una densidad muy alta. Por ejemplo, la luz LASER simplifica el registro de un holograma, a partir del cual puede reconstruirse una imagen tridimensional mediante un rayo LASER. Utilizado también en interconexión empresarial, redes celulares, redes de telecomunicaciones, redes metropolitanas o redes de televisión por cable.

Medicina.

Con haces intensos y estrechos de luz LASER es posible cortar y cauterizar ciertos tejidos en una fracción de segundo sin dañar al tejido sano circundante.

El LASER se ha empleado para `soldar' la retina, perforar el cráneo, reparar lesiones y cauterizar vasos sanguíneos. También se han desarrollado técnicas LASER para realizar pruebas de laboratorio en muestras biológicas pequeñas.

Muchas enfermedades son detectadas por el rastro químico que dejan, para detectarlo es utilizada una técnica LASER que consiste en un LASER ajustado a una frecuencia específica que rebota rápidamente hacia delante y atrás en una cavidad óptica formada por espejos con una alta capacidad de reflexión.

También serán de extraordinaria ayuda para la cirugía implantológica. En la siguiente imagen observamos el LASER marcando la culata de contrángulo.

Tecnología militar.

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

LASER atómico.

En enero de 1997, un equipo de físicos estadounidenses anunció la creación del primer LASER compuesto de materia en vez de luz. Del mismo modo que en un LASER de luz cada fotón viaja en la misma dirección y con la misma longitud de onda que cualquier otro fotón, en un LASER atómico cada átomo se comporta de la misma manera que cualquier otro átomo, formando una "onda de materia" coherente.

Los científicos confían en las numerosas e importantes aplicaciones potenciales de los LASER atómicos, aunque presenten algunas desventajas prácticas frente a los LASER de luz debido a que los átomos están sujetos a fuerzas gravitatorias e interaccionan unos con otros de forma distinta a como lo hacen los fotones.

Aplicaciones del LASER. Lectura y grabación de CD/DVD

- Introducción:

Por tratarse de discos `ópticos' podemos deducir que la luz tiene algo que ver en su creación, y efectivamente, una luz muy potente es necesaria para utilizarlos.

Básicamente, la lectura de un CD (Compact Disk) o un DVD (Digital Versátil Disk) se realiza mediante la captación de los reflejos que provoca al ser incidido por un LASER. Aunque esta tecnología difiere bastante de un tipo de CD a otro.

Sus principales ventajas frente a discos magnéticos son:

La seguridad de los datos:

Ya que se encuentran grabados en el interior del disco, sin que puedan ser alterados fácilmente, y soportando la suciedad y los arañazos del medio (siempre dentro de unos límites, por cierto más ajustados que lo que aseguran sus fabricantes).

Además este tipo de discos, soportan perfectamente los campos magnéticos que tanto afectan a otro tipo de discos.

También es importante decir que la cabeza móvil que hace de soporte del lector óptico, y la fuente LASER, nunca llega a tocar el medio, por lo que no se produce el desgaste por rozamiento que existe (existía) en los discos magnéticos, ni hay riesgo de `aterrizaje' como en los discos rígidos por ejemplo, al cortarse la electricidad, y que pueden dañar de forma permanente varios sectores, o incluso la estructura general del disco (Ej. Discos Duros).

La capacidad:

La última y más importante ventaja, es su capacidad y la relación capacidad/precio que tienen, ya que al ser leídos por un haz LASER, de tamaño aproximado de 0.8 micras (0.8 · 10-6 m.), permite en tan solo 12cm.de disco llegar a almacenar hasta 4.7 (en principio, en el caso de los DVD's).

Los CD y DVD guardan los datos grabados en una pista que recorre en espiral el disco desde el centro de este hacia fuera. Para hacernos una idea, un CD tipo ROM de 60min. tiene su espiral dividida en 270000 sectores de 2 Kbytes (2048 bytes) cada uno.

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Generalmente, el motivo de daño de los CD's es la oxidación de la película metálica, la cual deja de reflejar la luz adecuadamente, así como los arañazos lo suficientemente profundos como para refractar la luz de modo distinto al esperado, y confundir al lector.

Tipos de CD's:

Existen multitud de tipos de CD y DVD que se distinguen básicamente en los materiales empleados para su construcción, así como de los materiales utilizados para grabar la pista en ellos.

Todos están formados sobre una base de material plástico (policarbonato) que hace de soporte para el medio, así como de material protector de los datos. Este material es el que tocamos al coger el CD en la mano, y sobre el que podemos implantar nuestras sucias huellas sin problema.

Además todos cuentan con una finísima capa de material metálico, que se encarga de reflejar la luz emitida por el LASER otra vez hacia los sensores ópticos. Esta capa puede ser simplemente aluminio, plata o incluso oro en el caso de los DVD-RAM, así como distintas aleaciones cada vez con un reflejo más nítido, a la vez que más flexible para corregir posibles errores de lectura.

Además contienen otra capa, la más importante, donde se almacenan los datos.

Dependiendo de que tipo de CD o DVD utilicemos, esta capa estará formada por distintos materiales que se adaptan a los medios de grabación.

Estos son los tipos de CD y DVD más comunes, y en los que nos fijaremos para este trabajo:

CD	DVD	Tipo	Capa de Datos	Capa de Metal
CD-ROM   (Audio/video PC software)	DVD-ROM   (Video/audio, uso en PC)	Lectura Solamente	Moldeada	Aluminio (También plata, u oro en los DVD de doble capa)
CD-R	DVD-R DVD+R	Grabable (una vez!)	Pigmento Orgánico	Plata, oro, aleación de plata
CD-RW	DVD-RW DVD+RW DVD+RAM	Re escribible   (escribir, borrar, escribir de nuevo)	Parte cambiante de un film de aleación metálica	Aluminio

En los DVD's, la capa de datos, esta situada en el centro del disco, por lo que existen algunos tipos (de doble densidad) que son capaces de escribir y leer `a dos alturas', en DVD's que contienen dos capas de datos. Dependiendo a que frecuente esté funcionando el LASER leerá datos de una u otra capa.

Existen incluso Discos que contienen dos capas de datos por cada cara, por lo que la capacidad puede multiplicarse hasta por 4X. Es decir hasta 18.8 Gbytes.

Lectura de CD y DVD.

Como ya hemos dicho antes, los CD's llevan los datos grabados en una pista espiral a lo largo de su diámetro pero, ¿como se interpretan esos datos?

Pues dichos datos se encuentran `agujereados' en la pista literalmente, aunque se verá mejor con un dibujo.

La capa de color verde representa la capa de datos, que esta formada de distintos materiales según el tipo de disco. Esta capa esta compuesta de llanuras (lands) y hoyos (pits), los cuales se interpretarán como 0 ó 1.

El LASER irá emitiendo un haz, que mediante unas lentes se redirige hacia el CD. Si el punto sobre el que incide el haz de luz está en su estado inicial, reflejara perfectamente la luz del LASER, pero si ha sido quemado (escrito) con anterioridad, el rayo no será reflejado.

Después un fotodiodo se encarga de recoger e interpretar las reflexiones como datos binarios.

Este elemento, el fotodiodo, es el que se encarga de la traducción de lo que pone en el CD a información binaria, que mediante el software adecuado, la interpretara como video, música, datos, o lo que el CD contiene.

Así se explica más detenidamente el mecanismo de lectura de un disco óptico:

El emisor de LASER, que es un DIODO LASER, genera un haz de luz de menos de 1mW y con una abertura de 30º, al contrario que los emisores LASER normales, que emiten una luz en líneas paralelas.

Posteriormente, el rayo atraviesa un cristal denominado `beam splitter', (partidor de rayo), que se comporta de manera similar a unas gafas de sol: Si el rayo penetra por una de sus caras, ésta es transparente y el rayo pasa sin atenuación; por el contrario, al penetrar por la otra cara, se comporta como un espejo y el rayo es reflejado.

Antes de llegar al CD, el rayo se refleja en la parte reflectante del `beam splitter', y tras enfocarse mediante un sistema óptico de lentes, acaba apuntado al CD con una longitud de 0,8 micras.

Aquí es donde dependiendo que el sector al que apunta el rayo en ese momento esté o no agujereado, refleja o no en la superficie metálica, devolviendo, si es que refleja, un rayo de vuelta al `beam splitter', que esta vez entra por la parte transparente, para ir a parar al fotosensor, el cual decidirá si es un 0 o un 1 lógicos.

Escritura CD / DVD.

Aunque todos los tipos de CD y DVD se leen de igual forma (mediante LASER), no todos se escriben igual, y aquí reside la principal diferencia entre unos y otros.

Para explicarlo mejor, en esta sección se hace una especie de explicación conjunta sobre tipos de CD y su escritura. Las distintas formas de escribir un CD son:

• Por moldeado durante la fabricación, mediante un molde de níquel (CD-ROM, DVD-ROM).

• Por acción de luz LASER, quemando la superficie inicial (CD-R, CD-RW).

• Por la acción de una luz LASER en conjunción con un campo magnético (Discos MAGNETO-OPTICOS) de la que no hablaremos en este trabajo.

- CD-ROM / DVD-ROM (Read Only Memory):

Estos fueron los primeros CD's desarrollados. Son grabados masivamente por los fabricantes, y no es posible su grabación en casa, ya que son necesarias tecnologías imposibles. ROM indica que son de solo lectura, y que deben de venir grabados de fábrica.

Para su grabación se sustituye el LASER por un molde de níquel (disco maestro grabado con LASER) desde el cual se copian las espirales con los datos grabados por medio de la inyección de materiales calientes. Estas espirales se superponen sobre las bases metálicas reflectantes y se recubre de los materiales protectores.

Una vez fabricado puede leerse normalmente por un lector LASER cualquiera, como si éste hubiese sido grabado con LASER.

- CD-R (Recordable):

Estos discos son grabables por el usuario, pero tan solo una vez. También son llamados CD-WO (Write Once).

La capa de datos de este tipo de CD's esta constituida de pigmentos orgánicos sensibles al calor. Cuando se pretende escribir un `pit' lógico en un punto dado de la pista, el calor del LASER decolora el pigmento para siempre, y lo dejará intacto donde se quiera escribir un 0 lógico. Una vez escritos se pueden leer como un CD-ROM.

Esta es una ampliación al microscopio de los surcos quemados por el calor del LASER. La separación entre vueltas de la pista es de apenas 1.6 · 10-6 m. y el espesor de una de las marcas producidas, denominadas `pits' es de 0.8 · 10-6m. Cada vez disponemos de LASERES más potentes, que son capaces de emitir una luz más pura y mejor enfocada, por lo que cada vez disponemos de más capacidad en bytes por unidad de espacio.

CD-RW (Re-Writable):

También conocidos como CD-E (Erasable). Se diferencian de los CD-R en que la pista de datos no está formada por un polímero, sino por una película metálica, la cual se deforma bajo el intenso calor del LASER. Esta película concibe dos estados: Lisa y amorfa.

Las distintas frecuencias a las que el LASER puede actuar, permiten `derretir' la película que queda lista al enfriarse, o con un poco menos de intensidad, derretirla y que no le de tiempo a llegar a estado liso en el enfriamiento, por lo que se forma una porción amorfa en la pista.

La distinta reflexividad de los dos estados, permiten al fotodiodo diferenciar entre un estado y otro, asignando a cada uno un valor binario (0 ó 1).

Existen además multitud de tipos distintos de CD, aunque todos siguen uno de estos tres procesos de grabación.

La diferencia existe en los diferentes formatos de compresión que admite cada uno, por ejemplo si están diseñador para contener Video Multimedia (DVI), Fotografía Digital (Photo CD), Música (CDDA, típico para equipos de audio), y un largo etc.

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