El Desarrollo Y Comercialización Del láser

EL DESARROLLO Y COMERCIALIZACIÓN DEL LASER

Contenidos:

• Breve reseña histórica.

• El fundamento del láser: la emision estimulada.

• Aplicaciones sobre el láser.

• Bibliografia y webgrafia.

Breve reseña histórica.

1917. El físico Albert Einstein desarrolló el concepto de la "emisión estimulada", que dio paso al

desarrollo posterior de la luz láser.

1947. Los físicos Willis E. Lamb y R. C. Rutherford demostraron la emisión estimulada por primera

vez.

1953. Charles H. Townes y los estudiantes de postgrado James P. Gordon y Herbert J. Zeiger

construyeron el primer máser, el primer dispositivo basado en la emisión estimulada. Son

galardonados con el premio Nobel de Física en 1964.

1958. Los físicos Arthur L. Schawlow y Charles H. Townes fueron los primeros en escribir un

artículo detallado sobre los máser ópticos. También se les atribuye la invención del láser.

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

por Theodore Maiman

El fundamento del láser: la emisión estimulada.

El término láser es acrónimo de Light Amplification by the Stimulated Emission of

Radiation (amplificación de la luz por la emisión estimulada de radiación). Veamos como funciona.

El átomo está integrado por un núcleo, formado por un conjunto de protones (carga postiva)

y neutrones (carga neutra) que son los elementos más pesados del átomo, y por una serie de

electrones (carga negativa y masa casi nula en comparación con la de protones y neutrones),

emplazados a determinada distancia, alrededor del núcleo.

La energía de los electrones depende de su distancia al núcleo, puesto que sufren una

atracción eléctrica por los protones y para una mayor separación del núcleo necesitan incrementar

su nivel de energía. Pueden encontrarse en estado excitado —con una energía superior a la normal

— o en reposo. En el estado excitado, el electrón almacena una determinada proporción de energía.

En condiciones de equilibrio termodinámico a la temperatura T, es posible determinar cuántos

átomos se encuentran en el estado fundamental y cuántos en el estado excitado, indicando

respectivamente el número con N1 y N2. La relación entre el número de átomos excitados y en

reposo viene dada por la siguiente ecuación:

2

Donde N1 y N2 representan el número de átomos en los estados de energía E1 y E2,

respectivamente, T es la temperatura absoluta y k la denominada «constante de Boltzmann», igual a

1,28.10-23 JK-1. Si la distancia en energía entre los dos niveles E2– E1 > kT, la relación tiene

tendencia a cero y en condiciones de equilibrio sólo muy pocos átomos se encontrarán en el estado

de energía mayor. En el equilibrio térmico, el estado de energía más baja será siempre más poblado

que el de energía mayor (en el equilibrio un sistema físico tiende a alcanzar un estado en el que

la energía es mínima).

La luz visible es una pequeña región del espectro de la radiación electromagnética. Una

onda electromagnética es un sistema de campos eléctricos y magnéticos oscilantes en planos

ortogonales entre sí y en la dirección de propagación de la onda misma. Viene caracterizada por una

longitud de onda λ=v/ν, donde v=c/n es la velocidad de propagación de la onda, igual en el vacío

(n=1) a la velocidad de la luz c. La luz visible es esa parte del espectro de las ondas

electromagnéticas en los que la longitud de onda λ está comprendida entre 400 y 750 nm.

De acuerdo con la mecánica cuántica, un «fotón», posee energía hν, donde h es la constante

de plank y ν es la frecuencia del campo electromagnético. Cuando esta «partícula» interactúa con un

átomo donde E2 – E1= hν, pueden producirse dos procesos distintos:

♦ El fotón cede su propia energía al átomo que se encuentra en el estado de energía E1, excitándolo

en el estado de energía mayor E2 (absorción).

♦ El fotón estimula la «desexcitación» del átomo del estado de energía E2 al de energía E1; en este

3

proceso se genera un segundo fotón idéntico al primero (emisión estimulada).

Las tres características que diferencian el rayo láser de la luz del Sol o de la generada por

una bombilla, es que aquél es un haz de luz monodireccional, monocromático y coherente.

Los emisores de luz despiden millones de ondas, que pueden tener idéntica dirección o

poseer direcciones distintas. La bombilla es un emisor de luz omnidireccional, frente al láser, que es

monodireccional. En cuanto a la característica del monocromatísmo, el color de una luz está en

función de su frecuencia; si todas las ondas posee la misma frecuencia, poseen también el mismo

color. Los filamentos de las bombillas están formados por átomos y moléculas diferentes y, por

tanto, la energía absorbida y desprendida en forma de fotones adopta valores diversos. Puesto que la

frecuencia del fotón está en relación con su energía, al variar la energía varía la frecuencia emitida.

La luz de una bombilla tiene múltiples frecuencias, dependiendo del filamento que se haya

empleado en su construcción. Por el contrario, en un láser, la fuente de luz proviene de un gas o de

un sólido muy purificado. En ambos casos, los átomos tienen idénticos niveles energéticos. Como

resultado, los fotones generados poseen idéntica energía y frecuencia.

Al contrario de lo que ocurre con las ondas luminosas en disposiivos como las bombillas, en

el láser, todas las ondas poseen la misma fase y la energía resultante es la máxima posible, puesto

que no se anula ninguna onda. Éste es el sentido del término coherente.

Componentes del 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. Cuando se verifica la excitación, gran cantidad

de electrones pasan al estado excitado y, una gran mayoría, permanece en dicha situación durante

un determinado intervalo de tiempo. No obstante, algunos realizan una emisión espontánea,

generando fotones que se desplazan en todas direcciones. Aunque en su mayoría se pierden por los

laterales donde no hay espejos, un pequeño número rebota entre ellos y pasa por el interior del

núcleo, que es transparente. Al pasar por el núcleo, provocan la emisión estimulada de nuevos

fotones en la misma dirección. Estos nuevos fotones rebotan también en los espejos, originando, a

su vez, la emisión de más fotones, y así sucesivamente. Puesto que uno de los espejos es

semirreflectante, una parte de los fotones, en lugar de rebotar, escapa, formando una especie de

chorro muy fino: es el rayo láser visible.

Aplicaciones sobre el láser.

Los orígenes del láser se remontan a la teoría cuántica de la radiación explicada por Albert

4

Einstein que hizo posible pasar de la ciencia ficción a la realidad. El origen del láser entonces se

remonta a un trabajo de Albert Einstein en 1917 que exponía que bajo determinadas circunstancias

la mecánica cuántica puede conseguir aumentar de manera notable la intensidad de un haz de luz.

Más tarde Charlie Townes y Arthur Leonard Schawlow en 1960, contratados previamente

por la marina inventaron el Maser, que posteriormente sería llamado Láser (light amplification by

stimulated emission of radiation, amplificación de luz por emisión estimulada de radiación)

Cuando se inventaron, en 1960, los láseres se calificaron como "una solución a la espera de

un problema". Desde entonces y hasta la actualidad se han vuelto omnipresentes y actualmente

pueden encontrarse en miles de aplicaciones, en campos muy variados, como la electrónica de

consumo, la tecnología de la información, la investigación científica, la medicina, la industria y el

sector militar.

En muchas aplicaciones, los beneficios de los láseres se deben a sus propiedades físicas,

como la coherencia, la monocromaticidad y la capacidad de alcanzar potencias extremadamente

altas.

...