Làser

Làsers d'estat sòlit emetent a (de dalt avall) 405 nm, 445 nm, 520 nm, 532 nm, 635 nm i 660 nm.

Un fes de làser en l'aire viajant prop del 99,97% de la velocitat de la llum en el buit (l'índex de refracció de l'aire és al voltant d'1,0003).

El músic francés Jean Michel Jarre amprant l'instrument musical conegut com Arpa làser, en la que les cordes són substituïdes per rajos làser.

Erro al crear miniatura:

Els efectes visuals de les lluïxes làser són molt usats en la música electrònica pels disc-jockey (DJ).

Un làser (del anglés laser, acrònim de light amplification by stimulated imission of radiation, «amplificament de llum per mig de l'emissió induïda de radiació»; també cridat generador òptic quàntic en terminologia soviètica) és un dispositiu que utilisa en simultàneu un efecte de la mecànica quàntica, l'emissió induïda o estimulada, per a generar un fes de llum coherent tant espacial com temporalment. La coherència espacial es correspon en la capacitat d'un fes per a permanéixer en un chicotet tamany en transmetre's pel buit en llargues distàncies i la coherència temporal es relaciona en la capacitat per a concentrar l'emissió en un ranc espectral molt estret.

Història

En 1915, Albert Einstein va establir els fonaments per al desenroll dels làsers i dels seus predecessors, els màserés (que emeten microones), utilisant la llei de radiació de Max Planck basada en els conceptes d'emissió espontànea i induïda de radiació. En 1928, Rudolf Landenburg va informar haver obtingut la primera evidència del fenomen d'emissió estimulada de radiació, encara que no va passar de ser una curiositat de laboratori, per lo que la teoria va ser oblidada fins despuix de la Segona Guerra Mundial, quan va ser demostrada definitivament per Willis Eugene Lamb i R. C. Rutherford. En 1953, Charres H. Townes i els estudiants de postgrado James P. Gordon i Herbert J. Zeiger varen construir el primer màser: un dispositiu que funcionava en els mateixos principis físics que elàser pero que produïx un fes coherent de microones. El màser de Townes era incapaç de funcionar en continu. Nikolái Básov i Aleksandr Prójorov de l'Unió Soviètica varen treballar independentment en l'oscilador quàntic i varen resoldre el problema d'obtindre un màser d'eixida de llum contínua, utilisant sistemes en més de dos nivells d'energia. Townes, Básov i Prójorov varen compartir el Premi Nobel de Física en 1964 per «els treballs fonamentals en el camp de l'electrònica quàntica», els quals varen conduir a la construcció d'osciladors i amplificadors basats en els principis dels màser-làser. El primer làser va ser un de rubí i va funcionar per primera volta el 16 de maig de 1960. Va ser construït per Theodore Maiman. El fet de que els seus resultats es publicaren en algun retart en Nature, va donar temps a la posada en marcha d'atres desenrolls parals. Per este motiu, Townes i Arthur Leonard Schawlow també són considerats inventors delàser, el qual varen patentar en 1960. Dos anys despuix, Robert Hall inventa elàser generat per semiconductor. En 1969 es troba la primera aplicació industrial delàser en ser utilisat en les soldadures dels elements de chapa en la fabricació de vehículs i, a l'any següent Gordon Gould patenta moltes atres aplicacions pràctiques per alàser. En Europa, l'us mèdic delàser va començar a consolidar-se durant els anys 1970, especialment en el desenroll de la teràpia làser de baix nivell pel mege i investigador judeu hongarés Endre Mester.

El 16 de maig de 1980, un grup de físics de l'Universitat d'Hulliderats per Geoffrey Pert registren la primera emissió làser en el ranc dels rajos X. Pocs mesos despuix es comença a comercialisar el disc compacte, a on un fes làser de baixa potència «llig» les senyes codificades en forma de chicotets orificis (punts i ralles) sobre un disc òptic en una cara reflectante. Posteriorment eixa seqüència de senyes digitals es transforma en una senyal analògica permetent l'escolta dels archius musicals. En 1984, la tecnologia desenrollada comença a usar-se en el camp de l'almagasenament massiu de senyes. En 1994, en el Regne Unit, s'utilisa per primera volta la tecnologia làser en cinemómetros per a detectar conductors en excés de velocitat. Posteriorment s'estén el seu us per tot lo món. En 2002, científics australiàs «teletransportan» en èxit un fes de llum làser d'un lloc a un atre. Dos anys despuix l'escàner làser permet al Museu Britànic efectuar exhibicions virtuals. En 2006, científics d'Intel descobrixen la forma de treballar en un chip làser fet en silici obrint les portes per al desenroll de rets de comunicacions molt més ràpides i eficients.

Elements bàsics d'un làser

Erro al crear miniatura:

Eixemple de dispositiu d'emissió làser típic:
1. Mig actiu en guany òptic
2. Energia de bombeig per alàser
3. Espill d'alta reflectancia
4. Espill d'acoplament o eixida
5. Emissió del fes làser

Un làser típic consta de tres elements bàsics d'operació. Una cavitat òptica resonante, en la que la llum pot circular, que consta habitualment d'un parell d'espills dels quals un és d'alta reflectancia (propenca al 100 %) i un atre conegut com a acoplador, que té una reflectancia menor i que permet l'eixida de la radiació làser de la cavitat. Dins d'esta cavitat resonante se situa un mig actiu en guany òptic, que pot ser sòlit, líquit o gaseós (habitualment el gas es trobarà en estat de plasma parcialment ionizado) que és l'encarregat d'amplificar la llum. Per a poder amplificar la llum, este mig actiu necessita un cert aporte d'energia, cridada comunament bombeig. Este bombeig és generalment un fes de llum (bombeig òptic) o una corrent elèctrica (bombeig elèctric).

Cavitat làser

La cavitat òptica resonante, coneguda també com a cavitat làser, existix en la gran majoria dels dispositius làser i servix per a mantindre la llum circulant a través del mig actiu el major número de voltes possible. Generalment està composta de dos espills dielèctrics que permeten reflectividades controlades que poden ser molt altes per a determinades llongituts d'ona. L'espill d'alta reflectividad reflectix prop del 100 % de la llum que rep i l'espill acoplador o d'eixida, un percentage llaugerament menor. Estos espills poden ser plans o en determinada curvatura, que canvia el seu règim d'estabilitat. Segons el tipo de làser, estos espills es poden construir en soports de vidre o cristals independents o en el cas d'alguns làsers d'estat sòlit poden construir-se directament en les cares del mig actiu, disminuint les necessitats d'alliniació posterior i les pèrdues per reflexió en les cares del mig actiu. Alguns làsers d'excímero o la majoria dels làser de nitrogen, no utilisen una cavitat pròpiament dita, en lloc d'això un sol espill reflector s'utilisa per a dirigir la llum cap a l'obertura d'eixida. Atres làser com els construïts en microcavidades òptiques ampren fenomens com la reflexió total interna per a confinar la llum sense utilisar espills.

Mig actiu

El mig actiu és el mig material a on es produïx l'amplificament òptic. Pot ser de molt diversos materials i és el que determina en major medida les propietats de la llum làser, llongitut d'ona, emissió contínua o pulsada, potència, etc. El mig actiu és a on ocorren els processos d'excitació (electrònica o d'estats vibracionals) per mig de bombeig d'energia, emissió espontànea i emissió estimulada de radiació. Per a que es done la condició làser, és necessari que el guany òptic del mig actiu siga superior a les pèrdues de la cavitat més les pèrdues del mig. Ya que el guany òptic és el factor limitante en l'eficiència delàser, es tendix a buscar mijos materials que la maximizar, minimisant les pèrdues, és per açò que si ben casi qualsevol material pot utilisar-se com a mig actiu, solament algunes decenes de materials són utilisats eficientemente per a produir làsers. En molta diferència, els làsers més abundants en el món són els de semiconductor. Pero també són molt comuns els làsers d'estat sòlit i en menor medida els de gas. Atres mijos són utilisats principalment en investigació o en aplicacions industrials o meges molt concretes.

Bombeig

Per a que el mig actiu puga amplificar la radiació, és necessari excitar els seus nivells electrònics o vibracionals d'alguna manera. Comunament un fes de llum (bombeig òptic) d'una llàntia de descàrrega o un atre làser o una corrent elèctrica (bombeig elèctric) són amprats per a alimentar al mig actiu en l'energia necessària. El bombeig òptic s'utilisa habitualment en làsers d'estat sòlit (cristals i vidres) i làsers de colorant (líquits i alguns polímero) i el bombeig elèctric és el preferit en làsers de semiconductor i de gas. En algunes rares ocasions s'utilisen atres esquemes de bombeig que li donen el seu nom, per eixemple als làsers químics o làsers de bombeig nuclear que utilisen l'energia de la fissió nuclear. Per les múltiples pèrdues d'energia en tots els processos involucrats, la potència de bombeig sempre és major a la potència d'emissió làser.

Mecanismes de l'acció làser

Erro al crear miniatura:

Animació que explica els principis d'emissió estimulada i elàser

Si be existixen varis mecanismes que produïxen emissió làser, es descriu l'eixemple senzill d'un làser de quatre nivells en bombeig òptic continu, com pot ser elàser de neodimi.

Erro al crear miniatura:

Nivelles electrònics involucrats en l'emissió làser d'ions de neodimi trivalentes.

Absorció del bombeig i transicions no radiactives

En l'estat inicial, la majoria dels electrons es troben en l'Estat fonamental i són excitats per mig d'un fes de llum de bombeig que conté energia en les bandes d'absorció del neodimi. Els electrons excitats en varis nivells es desexcitan ràpidament de forma no radiativa cap a un nivell metaestable, que en el cas del neodimi és el ⁴F_3/2 a on permaneix un temps relativament llarc, decaent llentament al nivell fonamental i al nivell ⁴I_11/2. Si es complixen certes condicions en el material i la potència de bombeig, és possible que es produïxca l'inversió de població, açò és, que existixquen més àtoms excitats en el nivell ⁴F_3/2 que els que estan en el nivell inferior ⁴I_11/2.

Emissió estimulada

Des del nivell metaestable ⁴F_3/2 poden desexcitarse espontàneament alguns electrons que produïxen una emissió de llum a 1 064 nm. Alguns d'estos s'emeten en l'àngul correcte per a reflectir-se pels espills de la cavitat un número elevat de voltes. Estos fotons que es reflectixen en l'àngul correcte passen vàries voltes prop d'àtoms excitats de neodimi i produïxen l'emissió estimulada de radiació. Si el mig actiu es troba en la condició d'inversió de població i les pèrdues de la cavitat són inferiors al guany del mig actiu, ocorre que en reflectir-se en les parets de la cavitat es produïx un amplificament del primer fotó que es va emetre espontàneament. Despuix d'un número determinat de reflexions, l'intensitat dins de la cavitat és molt elevada, i les chicotetes perdudes de l'espill acoplador són la radiació làser que emet el dispositiu.

Classificació de làsers segons UNIX EN 60825-1/A2-2002

Segons la perillositat dels làsers i en funció dellímit d'Emissió Accessible (LLIGGA) es poden classificar els làsers en les següents categories de risc:

• Classe 1: Segurs en condicions raonables d'utilisació.
• Classe 1M: Com la Classe 1, pero no segurs quan es miren a través d'instruments òptics com a lupes o binoculares.
• Classe 2: Làsers visibles (400 a 700 nm). Els reflexos d'aversió protegixen l'ull, encara que s'utilisen en instruments òptics.
• Classe 2M: Com la Classe 2, pero no segurs quan s'utilisen instruments òptics.
• Classe 3R: Làsers la visió directa dels quals és potencialment perillosa pero el risc és menor i necessiten menys requisits de fabricació i mides de control que la Classe 3B.
• Classe 3B: La visió directa del fes és sempre perillosa, mentres que la reflexió difusa és normalment segura.
• Classe 4: L'exposició directa d'ulls i pell sempre és perillosa i la reflexió difusa normalment també. Poden originar incendis i explosions.

Aplicacions

Erro al crear miniatura:

El tamany dels làsers és molt variable, des dels diodos làser microscòpics (dalt) en numeroses aplicacions, fins alàser de cristals de neodimi en un tamany similar al d'un camp de fútbol, (avall) usat per a la fusió de confinament inercial, investigació sobre armes nuclears de destrucció massiva o atres experiments físics en els que es presenten altes densitat d'energia.

Quan es varen inventar, en 1960, els làsers es varen calificar com «una solució a l'espera d'un problema». Des de llavors, s'han tornat omnipresents i actualment poden trobar-se en mils d'aplicacions, en camps molt variats, com l'electrònica de consum, la tecnologia de l'informació, l'investigació científica, la medicina, l'indústria i el sector militar. En moltes aplicacions, els beneficis dels làsers es deuen a les seues propietats físiques, com la coherència, la monocromaticidad i la capacitat d'alcançar potències extremadament altes. A modo d'eixemple, un fes làser molt coherent pot enfocar-se per baix del seu llímit de difracció que, a llongituts d'ona visibles, correspon solament a uns pocs nanómetros. Quan s'enfoca un fes de làser potent en un punt, est rep una enorme densitat d'energia. Esta propietat permet alàser gravar gigaoctets d'informació en les microscòpiques cavitats d'un CD, DVD o Blu-ray. També permet a un làser de mija o baixa potencia alcançar intensitat molt altes i usar-ho per a tallar, cremar o inclús sublimar materials. El raig làser s'ampra en el procés de fabricació de gravar o marcar metalés, plàstics i vidre.

Tipos de làsers

Atenent a la naturalea del seu mig actiu, podem classificar els dispositius làser en:

Semiconductors

• Diodos làser, és l'emissor làser més comú, utilisa una unió semiconductora p-n similar a la que s'utilisa en els led pero en este cas està colocada en una cavitat reflectora. Són utilisats en punters làser, impressores làser, gravadors/reproductors de CD, DVD, Blu-Ray, HD-DVD i com a energia de bombeig de molts làsers d'estat sòlit.
• Làser de punt quàntic, un tipo de làser semiconductor que usa punts quàntics com el mig actiu en la seua regió d'emissió de llum. Pel dens confinament dels portadors de càrrega en els punts quàntics, exhibixen una estructura electrònica similar a la dels àtoms.
  Els làsers fabricats en mijos tan actius exhibixen un comportament prou propenc als làsers de gas, pero no presenten alguns dels inconvenients associats als tradicionals làsers de semiconductors basats en mijos actius sòlits o de pou quàntic.
  S'han observat millores en la modulació d'ample de banda, llindar d'excitació, soroll relatiu d'intensitat, factor de realce d'ample de llínea i estabilitat en la temperatura. La regió activa del punt quàntic pot dissenyar-se per a operar en diferents llongituts d'ona variant el tamany i la composició del punt quàntic. Açò permet que este tipo de làser puga fabricar-se per a operar en llongituts d'ona impossibles d'obtindre's en la tecnologia de làser semiconductor actual.
• Làser de cascada quàntica (comunament cridat QCL en anglés), funciona en injecció elèctrica en un material semiconductor estructurat. baix un determinat potencial elèctric, l'inversió de població és realisada quan nivells energètics de la banda de conducció s'alineen d'una forma determinada. Estos nivells energètics es repetixen de forma periòdica a lo llarc de tota l'estructura delàser formant, des del punt de vista energètic, una série de «cascades» o «escalons energètics». Un electró, en recórrer una a una estes cascades energètiques, genera quantos de llum, fotons, en cada u d'estos bots energètics.

Gas

• Làser d'Heli-Neó, o làser HeNe, és un tipo de làser de gas que utilisa com a mig actiu una mescla gaseosa d'heli i neó. Els làsers d'heli-neó emeten, habitualment, a una llongitut d'ona de 633 nm, llum visible de color roig. Són un tipo de làser habitual en laboratoris docents o en el cas de làsers estabilisats, en aplicacions de metrologia d'alta precisió.
  El mig actiu delàser és una mescla d'heli i de neó continguda en un tubo de vidre tancat, en una proporció de 5:1 aproximadament i a una pressió relativament baixa (habitualment al voltant de 300 Pa). L'energia per al bombeig es conseguix en una descàrrega elèctrica d'uns 1000 V a través de dos electrodos situats a cada extrem del tubo. La cavitat resonante sol estar formada per un espill pla d'alta reflectancia en un extrem i un espill cóncau en una transmissió d'un 1 % a l'atre extrem, separats normalment uns 15-20 cm. Els làsers d'heli-neó tenen unes potències d'eixida d'entre 1 mW i 100 mW.
  La llongitut d'ona és de 632,816 nm en l'aire, que correspon a una llongitut d'ona de 632,991 nm en el buit. En cada cas particular, la llongitut d'ona obtinguda es troba en un interval de 0,002 nm al voltant d'este valor, per les fluctuacions tèrmiques que provoquen chicotetes oscilacions de les dimensions de la cavitat.
• Làser de diòxit de Carbono, emet en el infrarrojo lluntà a 10,6 µm.
• Làser de Nitrogen, emet en el UV a 337 nm normalment en règim d'operació pulsat.
• Làser excimer, el mig actiu pot estar format per diverses molècules excímeras de vida molt curta formades per gasos nobles i halógenos, produïxen llum ultravioleta.
• Làser d'Argón, té vàries llínees d'emissió encara que les principals són 514 nm i 488 nm. Treballa en règim continu en potències de fins a unes decenes de W.

Estat sòlit

Estos làsers ampren típicament vidres, cristals o fibres dopades com a mig actiu. Encara que els semiconductors són també d'estat sòlit, se solen prendre en una categoria diferent. Alguns làsers d'estat sòlit són:

• Materials dopats en terres rares:
  • Làser neodimi-YAG, El mig actiu és un cristal YAG (Yttrium Aluminium Garnet) dopat en neodimi trivalente. Emet en l'infrarrojo propenc a 1064 nm. És freqüentment convertit a vert 532 nm utilisant un cristal no llineal que dobla la freqüència com per eixemple, el KTP.
  • YAG dopat en erbi trivalente, emet a eficientemente a 2900 nm pero també pot operar a 1645 nm.
  • YAG dopat en tuli trivalente, que opera normalment a 2015 nm.
  • YAG dopat en holmi trivalente, que emet a 2090 nm. És absorbit de manera explosiva per teixits impregnats d'humitat en seccions de menys d'un milímetro de gruixa. Generalment opera en modo pulsante i pansa a través de dispositius quirúrgics de fibra òptica. S'utilisa per a llevar taques de les dents, vaporizar tumors cancerígenos i desfer càlculs renals i vesiculares.
  • YVO dopat en neodimi trivalente. El mig actiu és el ortovanadato d'itri, similar al Nd:YAG pero permet majors eficiència que este, en làsers continus de potència mija-baixa.
  • Làser de fibra dopada en erbi, un tipo de làser format d'una fibra òptica especialment fabricada, s'utilisa principalment com amplificador per a comunicacions òptiques de llarga distància.
• Materials dopats en metals de transició:
  • Làser de rubí (Cristal de safir dopat en cromo trivalente). Va ser el primer làser construït, en 1960, per mig d'una barra de rubí excitada per un pols de flash de Xenón. Emet llum a 694,3 nm, visible com un roig profunt.
  • Làser de safir dopat en titani trivalente, és un làser sintonizable des del roig fins al infrarrojo propenc, entre 650 i 1100 nm. Tenen la característica de, segons el disseny òptic de la cavitat, pot operar en modo continu o emetent polsos ultra curts.
  • Làser d'Alejandrita, aluminato de berili dopat en cromo trivalente. Emet típicament en el infrarrojo propenc a 750 nm , és usat en alguns sistemes de depilació.

Colorant o líquits

• Làser de colorant, formats per un colorant orgànic com la Rodamina 6G i un mig generalment líquit que circula a través de la cavitat. Segons el colorant utilisat, poden operar en ultravioleta, visible o infrarrojo, en una potència de 150 mW fins a 346 mW.

Aplicacions delàser en la vida quotidiana

• Telecomunicacions: comunicacions òptiques (fibra òptica), Ràdio Over Fiber.
• Medicina: operacions sense sanc, tractaments quirúrgics, ajudes a la cicatrisació de ferides, tractaments de pedres en el renyó, operacions de vista, operacions odontològiques.
• Indústria: tallat, guiat de maquinària i robots de fabricació, medicions de distàncies precises per mig de làser.
• Defensa: Guiat de missils balístics, alternativa al radar, cegant a les tropes enemigues. En el cas del Tactical High Energy Laser s'està escomençant a usar elàser com a destructor de blancs.
• Ingenieria civil: guiat de màquines tuneladoras en túnels, diferents aplicacions en la topografia com a medicions de distàncies en llocs inaccessibles o realisació d'un model digital del terreny (MDT).
• Arquitectura: catalogació de patrimoni.
• Arqueològic: documentació.
• Investigació: espectroscòpia, interferometría làser, LIDAR, distanciometría.
• Desenrolls en productes comercials: impressores làser, CD, DVD, Blu-Ray, rates òptiques, llectors de còdic de barres, punters làser, termómetros, hologrames, aplicacions en allumenament d'espectàculs.
• Tractaments cosmètics i cirugia estètica: tractaments d'Acné, celitis, tractament de les estrías, depilació.

Aplicacions recents

Els alvanços en tecnologia làser han permés el seu us en cirugia làser d'alta precisió, com la correcció de la visió per mig de LASIK, i en teràpies fotodinámicas per al tractament de certs tipos de càncer.

En telecomunicacions, els làsers són essencials en la transmissió de senyes per fibra òptica, alcançant velocitats de terabits per segon.

Vore també

• Anex:Cronologia delàser
• Cirugia làser
• Espectre visible
• Diodo làser
• Màser
• Antiláser
• Làser blau

Enllaços externs

Commons

• Wikimedia Commons alberga contingut multimèdia sobre Làser.
• rp-photonics. com/encyclopedia. html Enciclopèdia de fotònica i tecnologia làser (anglés).