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Para otros usos, consulte Láser (desambiguación) .
"Lase" vuelve a dirigir aquí. Para conocer los usos de "Laze", consulte Laze .

Un rayo láser utilizado para soldar
Láseres rojo (660 y 635 nm), verde (532 y 520 nm) y azul violeta (445 y 405 nm)

Un láser es un dispositivo que emite luz mediante un proceso de amplificación óptica basado en la emisión estimulada de radiación electromagnética . El término "láser" se originó como un acrónimo de " amplificación de luz por emisión estimulada de radiación ". [1] [2] [3] El primer láser fue construido en 1960 por Theodore H. Maiman en Hughes Research Laboratories , basado en el trabajo teórico de Charles Hard Townes y Arthur Leonard Schawlow .

Un láser se diferencia de otras fuentes de luz en que emite una luz coherente . La coherencia espacial permite enfocar un láser en un lugar estrecho, lo que permite aplicaciones como el corte por láser y la litografía . La coherencia espacial también permite que un rayo láser se mantenga estrecho en grandes distancias ( colimación ), lo que permite aplicaciones como punteros láser y lidar . Los láseres también pueden tener una alta coherencia temporal , lo que les permite emitir luz con un espectro muy estrecho., es decir, pueden emitir un solo color de luz. Alternativamente, la coherencia temporal puede usarse para producir pulsos de luz con un amplio espectro pero duraciones tan cortas como un femtosegundo (" pulsos ultracortos ").

Los láseres se utilizan en unidades de disco óptico , impresoras láser , escáneres de códigos de barras , instrumentos de secuenciación de ADN , fibra óptica , fabricación de chips semiconductores ( fotolitografía ) y comunicación óptica en el espacio libre , cirugía láser y tratamientos de la piel, materiales de corte y soldadura , militares y legales. dispositivos de aplicación para marcar objetivos y medir el alcance y la velocidad, y en pantallas de iluminación láser para entretenimiento. Se han utilizado para faros de automóviles.en automóviles de lujo, mediante el uso de un láser azul y un fósforo para producir luz blanca altamente direccional. [4] [5] [6] [7]

Fundamentos

Los telescopios modernos utilizan tecnologías láser para compensar el efecto borroso de la atmósfera terrestre . [8]

Los láseres se distinguen de otras fuentes de luz por su coherencia . La coherencia espacial se expresa típicamente a través de que la salida es un haz estrecho, que está limitado por difracción . Los rayos láser pueden enfocarse en puntos muy pequeños, logrando una irradiancia muy alta , o pueden tener una divergencia muy baja para concentrar su poder a una gran distancia. La coherencia temporal (o longitudinal) implica una onda polarizada en una sola frecuencia, cuya fase está correlacionada en una distancia relativamente grande (la longitud de coherencia ) a lo largo del haz. [9] Un haz producido por una fuente de luz térmica o incoherente tiene una amplitud y una fase instantáneas.que varían aleatoriamente con respecto al tiempo y la posición, por lo que tienen una longitud de coherencia corta.

Los láseres se caracterizan por su longitud de onda en el vacío. La mayoría de los láseres de "longitud de onda única" en realidad producen radiación en varios modos con longitudes de onda ligeramente diferentes. Aunque la coherencia temporal implica monocromaticidad, existen láseres que emiten un amplio espectro de luz o emiten diferentes longitudes de onda de luz simultáneamente. Algunos láseres no son de modo espacial único y tienen haces de luz que divergen más de lo requerido por el límite de difracción . Todos estos dispositivos se clasifican como "láseres" según su método de producción de luz, es decir, emisión estimulada. Los láseres se emplean donde la luz de la coherencia espacial o temporal requerida no se puede producir utilizando tecnologías más simples.

Terminología

Rayos láser en la niebla, reflejados en el parabrisas de un automóvil

La palabra láser comenzó como un acrónimo de "amplificación de luz por emisión estimulada de radiación". En este uso, el término "luz" incluye radiación electromagnética de cualquier frecuencia, no solo luz visible , de ahí los términos láser infrarrojo , láser ultravioleta , láser de rayos X y láser de rayos gamma . Debido a que el antecesor de microondas del láser, el máser , se desarrolló primero, los dispositivos de este tipo que operan en microondas y frecuencias de radio se denominan "maestros" en lugar de "láseres de microondas" o "láseres de radio". En la literatura técnica temprana,especialmente en Bell Telephone Laboratories, el láser se denominó máser óptico ; este término ahora está obsoleto. [10]

Un láser que produce luz por sí mismo es técnicamente un oscilador óptico en lugar de un amplificador óptico como sugiere el acrónimo. Se ha observado con humor que el acrónimo LOSER, que significa "oscilación de la luz por emisión estimulada de radiación", habría sido más correcto. [11] Con el uso generalizado del acrónimo original como nombre común, los amplificadores ópticos se han denominado "amplificadores láser", a pesar de la aparente redundancia en esa designación.

El back-formado verbo a lase se utiliza con frecuencia en el campo, que significa "a la luz láser producir", [12] sobre todo en referencia al medio de ganancia de un láser; cuando un láser está funcionando se dice que es "láser". El uso adicional de las palabras láser y máser en un sentido extendido, sin referirse a la tecnología o dispositivos láser, se puede ver en usos como el máser astrofísico y el láser atómico .

Diseño

Artículo principal: construcción láser
Componentes de un láser típico:
  1. Ganar medio
  2. Energía de bombeo láser
  3. Reflector alto
  4. Acoplador de salida
  5. Rayo laser

Un láser consta de un medio de ganancia , un mecanismo para energizarlo y algo para proporcionar retroalimentación óptica . [13] El medio de ganancia es un material con propiedades que le permiten amplificar la luz mediante emisión estimulada. La luz de una longitud de onda específica que pasa a través del medio de ganancia se amplifica (aumenta la potencia). La retroalimentación permite que la emisión estimulada amplifique predominantemente la frecuencia óptica en el pico de la curva de frecuencia de ganancia. A medida que aumenta la emisión estimulada, eventualmente una frecuencia domina sobre todas las demás, lo que significa que se ha formado un haz coherente. [14] El proceso de emisión estimulada es análogo al de un oscilador de audio con retroalimentación positiva que puede ocurrir, por ejemplo, cuando el altavoz en un sistema de megafonía se coloca cerca del micrófono. El chillido que se escucha es una oscilación de audio en el pico de la curva de frecuencia de ganancia del amplificador. [15]

Para que el medio de ganancia amplifique la luz, debe recibir energía en un proceso llamado bombeo . La energía se suministra típicamente como una corriente eléctrica o como luz en una longitud de onda diferente. La luz de la bomba puede ser proporcionada por una lámpara de flash o por otro láser.

El tipo más común de láser utiliza la retroalimentación de una cavidad óptica, un par de espejos en cada extremo del medio de ganancia. La luz rebota de un lado a otro entre los espejos, atraviesa el medio de ganancia y se amplifica cada vez. Normalmente, uno de los dos espejos, el acoplador de salida , es parcialmente transparente. Parte de la luz se escapa a través de este espejo. Dependiendo del diseño de la cavidad (si los espejos son planos o curvos ), la luz que sale del láser puede extenderse o formar un rayo estrecho . De manera análoga a los osciladores electrónicos , este dispositivo a veces se denomina oscilador láser .

La mayoría de los láseres prácticos contienen elementos adicionales que afectan las propiedades de la luz emitida, como la polarización, la longitud de onda y la forma del haz.

Física láser

Ver también: ciencia láser

Los electrones y cómo interactúan con los campos electromagnéticos son importantes en nuestra comprensión de la química y la física .

Emision estimulada

Artículo principal: Emisión estimulada
Reproducir medios
Animación que explica la emisión estimulada y el principio del láser.

En la visión clásica , la energía de un electrón que orbita un núcleo atómico es mayor para las órbitas más alejadas del núcleo de un átomo . Sin embargo, los efectos de la mecánica cuántica obligan a los electrones a adoptar posiciones discretas en los orbitales . Por lo tanto, los electrones se encuentran en niveles de energía específicos de un átomo, dos de los cuales se muestran a continuación:

Un electrón en un átomo puede absorber energía de la luz ( fotones ) o calor ( fonones ) solo si hay una transición entre los niveles de energía que coincide con la energía transportada por el fotón o fonón. Para la luz, esto significa que cualquier transición dada solo absorberá una longitud de onda de luz en particular . Los fotones con la longitud de onda correcta pueden hacer que un electrón salte del nivel de energía más bajo al más alto. El fotón se consume en este proceso.

Cuando un electrón se excita de un estado a otro en un nivel de energía más alto con una diferencia de energía ΔE, no permanecerá así para siempre. Eventualmente, un fotón se creará espontáneamente a partir del vacío con energía ΔE. Conservando energía, el electrón pasa a un nivel de energía más bajo que no está ocupado, con transiciones a diferentes niveles que tienen diferentes constantes de tiempo. Este proceso se llama " emisión espontánea ". La emisión espontánea es un efecto mecánico cuántico y una manifestación física directa del principio de incertidumbre de Heisenberg . El fotón emitido tiene una dirección aleatoria, pero su longitud de onda coincide con la longitud de onda de absorción de la transición. Este es el mecanismo de fluorescencia yemisión térmica .

Un fotón con la longitud de onda correcta para ser absorbido por una transición también puede hacer que un electrón caiga del nivel más alto al más bajo, emitiendo un nuevo fotón. El fotón emitido coincide exactamente con el fotón original en longitud de onda, fase y dirección. Este proceso se llama emisión estimulada .

Ganancia medio y cavidad

Una demostración de láser de helio-neón . El resplandor que atraviesa el centro del tubo es una descarga eléctrica. Este plasma brillante es el medio de ganancia del láser. El láser produce un punto diminuto e intenso en la pantalla a la derecha. El centro del punto aparece blanco porque la imagen está sobreexpuesta allí.
Espectro de un láser de helio-neón. El ancho de banda real es mucho más estrecho de lo que se muestra; el espectro está limitado por el aparato de medición.

El medio de ganancia se pone en un estado excitado por una fuente de energía externa. En la mayoría de los láseres, este medio consiste en una población de átomos que han sido excitados a tal estado por medio de una fuente de luz exterior, o un campo eléctrico que suministra energía para que los átomos absorban y se transformen en sus estados excitados.

El medio de ganancia de un láser es normalmente un material de pureza, tamaño, concentración y forma controlados, que amplifica el haz mediante el proceso de emisión estimulada descrito anteriormente. Este material puede ser de cualquier estado : gas, líquido, sólido o plasma . El medio de ganancia absorbe la energía de la bomba, lo que eleva algunos electrones a estados cuánticos de mayor energía (" excitados ") . Las partículas pueden interactuar con la luz absorbiendo o emitiendo fotones. La emisión puede ser espontánea o estimulada. En este último caso, el fotón se emite en la misma dirección que la luz que pasa. Cuando el número de partículas en un estado excitado excede el número de partículas en algún estado de menor energía, la inversión de poblaciónse consigue. En este estado, la tasa de emisión estimulada es mayor que la tasa de absorción de luz en el medio y, por lo tanto, la luz se amplifica. Un sistema con esta propiedad se llama amplificador óptico . Cuando se coloca un amplificador óptico dentro de una cavidad óptica resonante, se obtiene un láser. [dieciséis]

En unas pocas situaciones es posible obtener láser con un solo paso de radiación EM a través del medio de ganancia, y esto produce un rayo láser sin necesidad de una cavidad resonante o reflectante (ver, por ejemplo, láser de nitrógeno ). [17] Por lo tanto, la reflexión en una cavidad resonante suele ser necesaria para un láser, pero no es absolutamente necesaria.

El resonador óptico a veces se denomina "cavidad óptica", pero este es un nombre inapropiado: los láseres utilizan resonadores abiertos en contraposición a la cavidad literal que se emplearía a frecuencias de microondas en un máser . El resonador generalmente consta de dos espejos entre los cuales viaja un haz de luz coherente en ambas direcciones, reflejándose sobre sí mismo de modo que un fotón promedio pase a través del medio de ganancia repetidamente antes de ser emitido desde la apertura de salida o perdido por difracción o absorción. Si la ganancia (amplificación) en el medio es mayor que las pérdidas del resonador, entonces la potencia de la luz recirculante puede aumentar exponencialmente. Pero cada evento de emisión estimulada devuelve un átomo de su estado excitado al estado fundamental, reduciendo la ganancia del medio. Al aumentar la potencia del haz, la ganancia neta (ganancia menos pérdida) se reduce a la unidad y se dice que el medio de ganancia está saturado. En un láser de onda continua (CW), el equilibrio de la potencia de la bomba contra la saturación de ganancia y las pérdidas de cavidad produce un valor de equilibrio de la potencia del láser dentro de la cavidad; este equilibrio determina el punto de funcionamiento del láser. Si la potencia de la bomba aplicada es demasiado pequeña, la ganancia nunca será suficiente para superar las pérdidas de la cavidad y no se producirá luz láser. La potencia mínima de bombeo necesaria para iniciar la acción del láser se denomina umbral de láser . El medio de ganancia amplificará los fotones que lo atraviesen, independientemente de la dirección; pero solo los fotones en unEl modo espacial soportado por el resonador pasará más de una vez a través del medio y recibirá una amplificación sustancial.

La luz emitida

En la mayoría de los láseres, el láser comienza con la emisión espontánea al modo láser. Esta luz inicial se amplifica luego mediante emisión estimulada en el medio de ganancia. La emisión estimulada produce luz que coincide con la señal de entrada en dirección, longitud de onda y polarización, mientras que la fase de la luz emitida es de 90 grados por delante de la luz estimulante. [18] Esto, combinado con el efecto de filtrado del resonador óptico, le da a la luz láser su coherencia característica, y puede darle polarización uniforme y monocromaticidad, dependiendo del diseño del resonador. El ancho de línea fundamental del láser [19]de luz emitida por el resonador láser puede ser órdenes de magnitud más estrechas que el ancho de línea de luz emitida por el resonador pasivo. Algunos láseres utilizan una sembradora de inyección separada para iniciar el proceso con un rayo que ya es muy coherente. Esto puede producir haces con un espectro más estrecho de lo que sería posible de otro modo.

En 1963, Roy J. Glauber demostró que los estados coherentes se forman a partir de combinaciones de estados de números de fotones , por lo que recibió el Premio Nobel de Física . [20] Un haz de luz coherente está formado por estados de fotones cuánticos de frecuencia única distribuidos según una distribución de Poisson . Como resultado, las estadísticas de Poisson describen la tasa de llegada de fotones en un rayo láser. [14]

Muchos láseres producen un rayo que se puede aproximar a un rayo gaussiano ; tales haces tienen la mínima divergencia posible para un diámetro de haz dado. Algunos láseres, particularmente los de alta potencia, producen haces multimodo, con los modos transversales a menudo aproximados usando funciones Hermite - Gaussiana o Laguerre- Gaussiana. Algunos láseres de alta potencia utilizan un perfil de superficie plana conocido como " haz de sombrero de copa ". Los resonadores láser inestables (no utilizados en la mayoría de los láseres) producen rayos en forma de fractal. [21] Los sistemas ópticos especializados pueden producir geometrías de haz más complejas, como haces de Bessel y vórtices ópticos .

Cerca de la "cintura" (o región focal ) de un rayo láser, está muy colimado : los frentes de onda son planos, normales a la dirección de propagación, sin divergencia del rayo en ese punto. Sin embargo, debido a la difracción , eso solo puede seguir siendo cierto dentro del rango de Rayleigh . El haz de un láser de modo transversal único (haz gaussiano) eventualmente diverge en un ángulo que varía inversamente con el diámetro del haz, como lo requiere la teoría de la difracción . Por lo tanto, el "rayo lápiz" generado directamente por un láser de helio-neón común se expandiría a un tamaño de quizás 500 kilómetros cuando brillara sobre la Luna (desde la distancia de la Tierra). Por otro lado, la luz de unEl láser semiconductor normalmente sale del cristal diminuto con una gran divergencia: hasta 50 °. Sin embargo, incluso un rayo divergente de este tipo puede transformarse en un rayo colimado de forma similar por medio de un sistema de lentes , como siempre se incluye, por ejemplo, en un puntero láser cuya luz se origina en un diodo láser . Eso es posible debido a que la luz es de un solo modo espacial. Esta propiedad única de la luz láser, la coherencia espacial , no se puede replicar utilizando fuentes de luz estándar (excepto descartando la mayor parte de la luz) como se puede apreciar comparando el rayo de una linterna (antorcha) o foco con el de casi cualquier láser.

Se utiliza un perfilador de rayo láser para medir el perfil de intensidad, el ancho y la divergencia de los rayos láser.

La reflexión difusa de un rayo láser desde una superficie mate produce un patrón de moteado con propiedades interesantes.

Procesos de emisión cuánticos vs.clásicos

El mecanismo de producción de radiación en un láser se basa en la emisión estimulada , donde la energía se extrae de una transición en un átomo o molécula. Este es un fenómeno cuántico descubierto por Albert Einstein, quien derivó la relación entre el coeficiente A que describe la emisión espontánea y el coeficiente B que se aplica a la absorción y la emisión estimulada. Sin embargo, en el caso del láser de electrones libres , los niveles de energía atómica no están involucrados; parece que el funcionamiento de este dispositivo bastante exótico puede explicarse sin hacer referencia a la mecánica cuántica .

Modos de funcionamiento continuo y pulsado

Mediciones Lidar de la topografía lunar realizadas por la misión Clementine .
Red inalámbrica óptica punto a punto de Laserlink
Altímetro láser de mercurio (MLA) de la nave espacial MESSENGER

Un láser puede clasificarse como operativo en modo continuo o pulsado, dependiendo de si la salida de potencia es esencialmente continua en el tiempo o si su salida toma la forma de pulsos de luz en una u otra escala de tiempo. Por supuesto, incluso un láser cuya salida es normalmente continua puede encenderse y apagarse intencionalmente a cierta velocidad para crear pulsos de luz. Cuando la tasa de modulación está en escalas de tiempo mucho más lentas que la vida útil de la cavidad y el período de tiempo durante el cual se puede almacenar energía en el medio láser o mecanismo de bombeo, entonces todavía se clasifica como un láser de onda continua "modulado" o "pulsado". La mayoría de los diodos láser utilizados en los sistemas de comunicación se incluyen en esa categoría.

Operación de onda continua

Algunas aplicaciones de los láseres dependen de un rayo cuya potencia de salida es constante en el tiempo. Este tipo de láser se conoce como onda continua ( CW ). Se pueden fabricar muchos tipos de láseres para que funcionen en modo de onda continua para satisfacer dicha aplicación. Muchos de estos láseres en realidad emiten láser en varios modos longitudinales al mismo tiempo, y los latidos entre las frecuencias ópticas ligeramente diferentes de esas oscilaciones producirán, de hecho, variaciones de amplitud en escalas de tiempo más cortas que el tiempo de ida y vuelta (el recíproco de la frecuencia espaciadoentre modos), normalmente unos pocos nanosegundos o menos. En la mayoría de los casos, estos láseres todavía se denominan "onda continua" ya que su potencia de salida es constante cuando se promedia durante períodos de tiempo más largos, teniendo las variaciones de potencia de muy alta frecuencia poco o ningún impacto en la aplicación prevista. (Sin embargo, el término no se aplica a los láseres de modo bloqueado , donde la intención es crear pulsos muy cortos a la velocidad del tiempo de ida y vuelta).

Para la operación de onda continua, se requiere que la inversión de población del medio de ganancia se reponga continuamente mediante una fuente de bombeo constante. En algunos medios láser, esto es imposible. En algunos otros láseres, sería necesario bombear el láser a un nivel de potencia continuo muy alto, lo que no sería práctico o destruiría el láser al producir un calor excesivo. Estos láseres no se pueden ejecutar en modo CW.

Operación pulsada

El funcionamiento pulsado de los láseres se refiere a cualquier láser no clasificado como onda continua, de modo que la potencia óptica aparece en pulsos de cierta duración con cierta frecuencia de repetición. Esto abarca una amplia gama de tecnologías que abordan una serie de motivaciones diferentes. Algunos láseres se pulsan simplemente porque no pueden funcionar en modo continuo .

En otros casos, la aplicación requiere la producción de legumbres que tengan la mayor energía posible. Dado que la energía del pulso es igual a la potencia promedio dividida por la tasa de repetición, este objetivo a veces puede satisfacerse reduciendo la tasa de pulsos para que se pueda acumular más energía entre pulsos. En la ablación con láser , por ejemplo, un pequeño volumen de material en la superficie de una pieza de trabajo se puede evaporar si se calienta en un tiempo muy corto, mientras que el suministro de energía gradualmente permitiría que el calor se absorbiera en la mayor parte de la pieza. pieza, nunca alcanzando una temperatura suficientemente alta en un punto en particular.

Otras aplicaciones se basan en la potencia máxima del pulso (en lugar de la energía en el pulso), especialmente para obtener efectos ópticos no lineales . Para una energía de pulso dada, esto requiere crear pulsos de la menor duración posible utilizando técnicas como Q-switching .

El ancho de banda óptico de un pulso no puede ser más estrecho que el recíproco del ancho del pulso. En el caso de pulsos extremadamente cortos, eso implica el uso de láseres en un ancho de banda considerable, muy al contrario de los anchos de banda muy estrechos típicos de los láseres CW. El medio láser en algunos láseres de colorante y láseres vibrónicos de estado sólido produce una ganancia óptica en un ancho de banda amplio, lo que hace posible un láser que puede generar pulsos de luz tan cortos como unos pocos femtosegundos ( 10-15 s).

Q-cambio

Artículo principal: Q-switching

En un láser de conmutación Q, se permite que se acumule la inversión de población introduciendo una pérdida dentro del resonador que excede la ganancia del medio; esto también se puede describir como una reducción del factor de calidad o 'Q' de la cavidad. Luego, una vez que la energía de bombeo almacenada en el medio láser se ha acercado al nivel máximo posible, el mecanismo de pérdida introducido (a menudo un elemento electro o acústico-óptico) se elimina rápidamente (o eso ocurre por sí mismo en un dispositivo pasivo), lo que permite el láser. para comenzar, que obtiene rápidamente la energía almacenada en el medio de ganancia. Esto da como resultado un pulso corto que incorpora esa energía y, por lo tanto, un pico de potencia alto.

Bloqueo de modo

Artículo principal: Bloqueo de modo

Un láser de modo bloqueado es capaz de emitir pulsos extremadamente cortos del orden de decenas de picosegundos hasta menos de 10 femtosegundos . Estos pulsos se repetirán en el tiempo de ida y vuelta, es decir, el tiempo que tarda la luz en completar un viaje de ida y vuelta entre los espejos que componen el resonador. Debido al límite de Fourier (también conocido como incertidumbre de energía-tiempo ), un pulso de una longitud temporal tan corta tiene un espectro extendido en un ancho de banda considerable. Por tanto, dicho medio de ganancia debe tener un ancho de banda de ganancia suficientemente amplio para amplificar esas frecuencias. Un ejemplo de un material adecuado es el zafiro cultivado artificialmente dopado con titanio ( Ti: zafiro) que tiene un ancho de banda de ganancia muy amplio y, por lo tanto, puede producir pulsos de solo unos pocos femtosegundos de duración.

Tales láseres de modo bloqueado son una versátil herramienta más para los procesos de investigación que ocurren en escalas de tiempo extremadamente cortos (conocido como la física de femtosegundos, la química de femtosegundos y ciencia ultrarrápida ), para maximizar el efecto de la no linealidad en materiales ópticos (por ejemplo, en segundo armónico generación , paramétrico conversión descendente , osciladores paramétricos ópticos y similares). Debido a la gran potencia máxima y la capacidad de generar trenes de pulsos láser ultrarrápidos estabilizados en fase, los láseres ultrarrápidos de bloqueo de modo sustentan las aplicaciones de metrología y espectroscopia de precisión. [22]

Bombeo pulsado

Otro método para lograr la operación de láser pulsado es bombear el material láser con una fuente que es ella misma pulsada, ya sea a través de carga electrónica en el caso de lámparas de destello, u otro láser que ya esté pulsado. El bombeo pulsado se utilizó históricamente con láseres de colorante donde la vida útil de la población invertida de una molécula de colorante era tan corta que se necesitaba un bombeo rápido y de alta energía. La forma de superar este problema era cargar condensadores grandesque luego se encienden para que se descarguen a través de linternas, produciendo un destello intenso. El bombeo pulsado también es necesario para los láseres de tres niveles en los que el nivel de energía más bajo se vuelve rápidamente muy poblado, lo que evita que se produzcan más rayos láser hasta que esos átomos se relajen al estado fundamental. Estos láseres, como el láser excimer y el láser de vapor de cobre, nunca se pueden operar en modo CW.

Historia

Cimientos

En 1917, Albert Einstein estableció los fundamentos teóricos del láser y el maser en el artículo Zur Quantentheorie der Strahlung (Sobre la teoría cuántica de la radiación) mediante una re-derivación de la ley de radiación de Max Planck , conceptualmente basada en coeficientes de probabilidad ( Coeficientes de Einstein ) para la absorción, emisión espontánea y emisión estimulada de radiación electromagnética. [23] En 1928, Rudolf W. Ladenburg confirmó la existencia de los fenómenos de emisión estimulada y absorción negativa. [24] En 1939, Valentin A. Fabrikantpredijo el uso de emisión estimulada para amplificar ondas "cortas". [25] En 1947, Willis E. Lamb y RC Retherford encontraron una emisión estimulada aparente en los espectros de hidrógeno y realizaron la primera demostración de emisión estimulada. [24] En 1950, Alfred Kastler (Premio Nobel de Física 1966) propuso el método de bombeo óptico , confirmado experimentalmente, dos años más tarde, por Brossel, Kastler y Winter. [26]

Maser

Artículo principal: Maser
Aleksandr Prokhorov

En 1951, Joseph Weber presentó un documento sobre el uso de emisiones estimuladas para fabricar un amplificador de microondas a la Conferencia de investigación de tubos de vacío del Instituto de ingenieros de radio en junio de 1952 en Ottawa , Ontario, Canadá. [27] Después de esta presentación, RCA le pidió a Weber que diera un seminario sobre esta idea, y Charles Hard Townes le pidió una copia del documento. [28]

Charles H. Townes

En 1953, Charles Hard Townes y los estudiantes de posgrado James P. Gordon y Herbert J. Zeiger produjeron el primer amplificador de microondas, un dispositivo que funciona con principios similares al láser, pero que amplifica la radiación de microondas en lugar de la radiación infrarroja o visible. El maser de Townes era incapaz de producir una producción continua. [29] Mientras tanto, en la Unión Soviética, Nikolay Basov y Aleksandr Prokhorov trabajaban de forma independiente en el oscilador cuántico y resolvieron el problema de los sistemas de salida continua utilizando más de dos niveles de energía. Estos medios de ganancia podrían liberar emisiones estimuladasentre un estado excitado y un estado excitado inferior, no el estado fundamental, lo que facilita el mantenimiento de una inversión de población . En 1955, Prokhorov y Basov sugirieron el bombeo óptico de un sistema multinivel como método para obtener la inversión de la población, más tarde un método principal de bombeo láser.

Townes informa que varios físicos eminentes, entre ellos Niels Bohr , John von Neumann y Llewellyn Thomas, argumentaron que el maser violaba el principio de incertidumbre de Heisenberg y, por lo tanto, no podía funcionar. Otros, como Isidor Rabi y Polykarp Kusch, esperaban que no sería práctico y no valía la pena el esfuerzo. [30] En 1964 Charles H. Townes, Nikolay Basov y Aleksandr Prokhorov compartieron el Premio Nobel de Física "por un trabajo fundamental en el campo de la electrónica cuántica, que ha llevado a la construcción de osciladores y amplificadores basados ​​en el láser máser principio".

Láser

En abril de 1957, el ingeniero japonés Jun-ichi Nishizawa propuso el concepto de " máser óptico semiconductor " en una solicitud de patente. [31]

Audio externo
icono de audio “El hombre, el mito, el láser” , Podcast de destilaciones , Instituto de Historia de la Ciencia

Ese mismo año, Charles Hard Townes y Arthur Leonard Schawlow , entonces en Bell Labs , comenzaron un estudio serio de los "máseres ópticos" infrarrojos. A medida que se desarrollaron las ideas, abandonaron la radiación infrarroja para concentrarse en la luz visible . En 1958, Bell Labs presentó una solicitud de patente para su máser óptico propuesto; y Schawlow y Townes enviaron un manuscrito de sus cálculos teóricos a la Physical Review , que se publicó en 1958. [32]

Cuaderno LASER: Primera página del cuaderno en el que Gordon Gould acuñó el acrónimo LASER y describió los elementos necesarios para construir uno.

Simultáneamente, en la Universidad de Columbia , el estudiante graduado Gordon Gould estaba trabajando en una tesis doctoral sobre los niveles de energía del talio excitado . Cuando Gould y Townes se reunieron, hablaron de emisión de radiación , como tema general; posteriormente, en noviembre de 1957, Gould anotó sus ideas para un "láser", incluido el uso de un resonador abierto (más tarde un componente esencial del dispositivo láser). Además, en 1958, Prokhorov propuso de forma independiente el uso de un resonador abierto, la primera aparición publicada de esta idea. Mientras tanto, Schawlow y Townes se habían decidido por un diseño de láser de resonador abierto, aparentemente sin conocer las publicaciones de Prokhorov y el trabajo láser inédito de Gould.

En una conferencia en 1959, Gordon Gould publicó por primera vez el acrónimo "LASER" en el artículo The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation . [1] [11] La intención de Gould era que se usaran diferentes siglas "-ASER" para diferentes partes del espectro: "XASER" para rayos X, "UVASER" para ultravioleta, etc. "LASER" terminó convirtiéndose en el genérico término para dispositivos que no son microondas, aunque "RASER" fue brevemente popular para denotar dispositivos emisores de radiofrecuencia.

Las notas de Gould incluían posibles aplicaciones para un láser, como espectrometría , interferometría , radar y fusión nuclear . Continuó desarrollando la idea y presentó una solicitud de patente en abril de 1959. La Oficina de Patentes de EE. UU. Denegó su solicitud y otorgó una patente a Bell Labs en 1960. Eso provocó una demanda de veintiocho años , con prestigio científico y dinero como las apuestas. Gould ganó su primera patente menor en 1977, sin embargo, no fue hasta 1987 que obtuvo la primera victoria significativa en una demanda de patentes, cuando un juez federal ordenó a la Oficina de Patentes de los Estados Unidos que expidiera patentes a Gould para el bombeo óptico y eldispositivos láser de descarga de gas . La cuestión de cómo atribuir el mérito de la invención del láser sigue sin resolverse por los historiadores. [33]

El 16 de mayo de 1960, Theodore H. Maiman operó el primer láser en funcionamiento [34] [35] en Hughes Research Laboratories , Malibu, California, por delante de varios equipos de investigación, incluidos los de Townes , en la Universidad de Columbia , Arthur Schawlow , en Bell. Labs , [36] y Gould, en la empresa TRG (Technical Research Group). El láser funcional de Maiman utilizó un cristal de rubí sintético bombeado por una lámpara de destello para producir luz láser roja a 694 nanómetros de longitud de onda. El dispositivo solo podía funcionar por pulsos, debido a su esquema de diseño de bombeo de tres niveles. Más tarde ese año, el El físico iraní Ali Javan y William R. Bennett y Donald Herriott construyeron el primer láser de gas , utilizando helio y neón, que era capaz de funcionar de forma continua en el infrarrojo (patente de EE.UU. 3.149.290); más tarde, Javan recibió el premio Albert Einstein en 1993. Basov y Javan propusieron el concepto de diodo láser semiconductor . En 1962, Robert N. Hall demostró el primer dispositivo de diodo láser , que estaba hecho de arseniuro de galio y se emitía en la banda del infrarrojo cercano del espectro a 850 nm. Mas adelante en ese año,Nick Holonyak , Jr. demostró el primer láser semiconductor con emisión visible. Este primer láser semiconductor solo podría usarse en funcionamiento con haz pulsado y cuando se enfría a temperaturas de nitrógeno líquido (77 K). En 1970, Zhores Alferov , en la URSS, e Izuo Hayashi y Morton Panish de Bell Telephone Laboratories también desarrollaron de forma independiente láseres de diodo de operación continua a temperatura ambiente, utilizando la estructura de heterounión .

Innovaciones recientes

Gráfico que muestra la historia de la intensidad máxima del pulso láser durante los últimos 40 años.

Desde el primer período de la historia del láser, la investigación del láser ha producido una variedad de tipos de láser mejorados y especializados, optimizados para diferentes objetivos de rendimiento, que incluyen:

  • nuevas bandas de longitud de onda
  • potencia de salida media máxima
  • máxima energía de pulso pico
  • máxima potencia de pulso pico
  • duración mínima del pulso de salida
  • ancho de línea mínimo
  • máxima eficiencia energética
  • costo mínimo

y esta investigación continúa hasta el día de hoy.

En 2015, los investigadores hicieron un láser blanco, cuya luz es modulada por una nanoplaca sintética hecha de zinc, cadmio, azufre y selenio que puede emitir luz roja, verde y azul en diferentes proporciones, con cada longitud de onda que abarca 191 nm. [37] [38] [39]

En 2017, los investigadores de TU Delft demostraron un láser de microondas de unión AC Josephson . [40] Dado que el láser opera en régimen superconductor, es más estable que otros láseres basados ​​en semiconductores. El dispositivo tiene potencial para aplicaciones en computación cuántica . [41] En 2017, los investigadores de TU Munich demostraron el láser de bloqueo de modo más pequeño capaz de emitir pares de pulsos láser de picosegundos bloqueados en fase con una frecuencia de repetición de hasta 200 GHz. [22]

En 2017, investigadores de Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) , junto con investigadores estadounidenses de JILA , un instituto conjunto del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder , establecieron un nuevo récord mundial al desarrollar un Láser de fibra dopada con erbio con un ancho de línea de solo 10 milihercios. [42] [43]

Tipos y principios operativos

Más información: Lista de tipos de láser
Longitudes de onda de láseres disponibles comercialmente. Los tipos de láser con distintas líneas de láser se muestran encima de la barra de longitud de onda, mientras que a continuación se muestran los láseres que pueden emitir en un rango de longitud de onda. El color codifica el tipo de material láser (consulte la descripción de la figura para obtener más detalles).

Láseres de gas

Artículo principal: láser de gas

Tras la invención del láser de gas HeNe, se ha descubierto que muchas otras descargas de gas amplifican la luz de forma coherente. Los láseres de gas que utilizan muchos gases diferentes se han construido y utilizado para muchos propósitos. El láser de helio-neón (HeNe) es capaz de operar en varias longitudes de onda diferentes, sin embargo, la gran mayoría está diseñada para emitir láser a 633 nm; Estos láseres de costo relativamente bajo pero altamente coherentes son extremadamente comunes en los laboratorios de investigación óptica y educativos. Los láseres comerciales de dióxido de carbono (CO 2 ) pueden emitir muchos cientos de vatios en un único modo espacial que se puede concentrar en un punto diminuto. Esta emisión se encuentra en el infrarrojo térmico a 10,6 µm; tales láseres se utilizan regularmente en la industria para cortar y soldar. La eficiencia de un CO 2el láser es inusualmente alto: más del 30%. [44] Los láseres de iones de argón pueden operar en una serie de transiciones láser entre 351 y 528,7 nm. Dependiendo del diseño óptico, una o más de estas transiciones pueden ser láser simultáneamente; las líneas más utilizadas son las de 458 nm, 488 nm y 514,5 nm. Un láser de descarga eléctrica transversal de nitrógeno en gas a presión atmosférica (TEA) es un láser de gas económico, a menudo construido en casa por aficionados, que produce luz ultravioleta bastante incoherente a 337,1 nm. [45] Los láseres de iones metálicos son láseres de gas que generan longitudes de onda ultravioleta profundas . Helio- plata (HeAg) 224 nm y neón-cobre (NeCu) 248 nm son dos ejemplos. Como todos los láseres de gas de baja presión, los medios de ganancia de estos láseres tienen anchos de línea de oscilación bastante estrechos , menos de 3 GHz (0,5 picómetros ), [46] haciéndolos candidatos para su uso en espectroscopía Raman con supresión de fluorescencia .

El láser sin mantener el medio excitado en una inversión de población se demostró en 1992 en gas sodio y nuevamente en 1995 en gas rubidio por varios equipos internacionales. [47] [48] Esto se logró mediante el uso de un máser externo para inducir "transparencia óptica" en el medio mediante la introducción e interferencia destructiva de las transiciones de electrones terrestres entre dos caminos, de modo que la probabilidad de que los electrones terrestres absorban cualquier energía ha sido cancelado.

Láseres químicos

Los láseres químicos funcionan mediante una reacción química que permite liberar rápidamente una gran cantidad de energía. Estos láseres de muy alta potencia son de especial interés para los militares; sin embargo, se han desarrollado láseres químicos de onda continua a niveles de potencia muy altos, alimentados por corrientes de gases, que tienen algunas aplicaciones industriales. Como ejemplos, en el láser de fluoruro de hidrógeno (2700-2900 nm) y el láser de fluoruro de deuterio (3800 nm) la reacción es la combinación de hidrógeno o gas deuterio con productos de combustión de etileno en trifluoruro de nitrógeno .

Láseres excimer

Los láseres excímeros son un tipo especial de láser de gas alimentado por una descarga eléctrica en el que el medio láser es un excímero , o más precisamente un exciplex en los diseños existentes. Estas son moléculas que solo pueden existir con un átomo en un estado electrónico excitado . Una vez que la molécula transfiere su energía de excitación a un fotón, sus átomos ya no están unidos entre sí y la molécula se desintegra. Esto reduce drásticamente la población del estado de menor energía, lo que facilita enormemente una inversión de la población. Los excímeros que se utilizan actualmente son todos compuestos de gases nobles ; Los gases nobles son químicamente inertes y solo pueden formar compuestos en estado excitado. Los láseres excímeros normalmente operan a ultravioletalongitudes de onda con aplicaciones importantes que incluyen fotolitografía de semiconductores y cirugía ocular LASIK . Las moléculas de excímero comúnmente utilizadas incluyen ArF (emisión a 193 nm), KrCl (222 nm), KrF (248 nm), XeCl (308 nm) y XeF (351 nm). [49] El láser de flúor molecular , que emite a 157 nm en el ultravioleta de vacío, a veces se denomina láser excimer, sin embargo, parece ser un nombre inapropiado en la medida en que F 2 es un compuesto estable.

Láseres de estado sólido

Un FASOR de 50 W , basado en un láser Nd: YAG, utilizado en el rango óptico de Starfire

Los láseres de estado sólido utilizan una barra cristalina o de vidrio que está "dopada" con iones que proporcionan los estados de energía requeridos. Por ejemplo, el primer láser en funcionamiento fue un láser de rubí , hecho de rubí ( corindón dopado con cromo ). En realidad, la inversión de población se mantiene en el dopante. Estos materiales se bombean ópticamente utilizando una longitud de onda más corta que la longitud de onda láser, a menudo desde un tubo de destello o desde otro láser. El uso del término "estado sólido" en la física del láser es más limitado que en el uso típico. Los láseres semiconductores (diodos láser) no suelen denominarse láseres de estado sólido.

El neodimio es un dopante común en varios cristales de láser de estado sólido, incluido el ortovanadato de itrio ( Nd: YVO 4 ), el fluoruro de itrio y litio ( Nd: YLF ) y el granate de itrio y aluminio ( Nd: YAG ). Todos estos láseres pueden producir altas potencias en el espectro infrarrojo a 1064 nm. Se utilizan para cortar, soldar y marcar metales y otros materiales, y también en espectroscopia y para bombear láseres de colorante . Estos láseres también suelen duplicar , triplicar o cuadriplicar la frecuencia para producir 532 nm (verde, visible), 355 nm y 266 nm ( UV) vigas, respectivamente. Los láseres de estado sólido bombeados por diodos con doble frecuencia (DPSS) se utilizan para fabricar punteros láser de color verde brillante.

El iterbio , el holmio , el tulio y el erbio son otros "dopantes" comunes en los láseres de estado sólido. [50] El iterbio se utiliza en cristales como Yb: YAG, Yb: KGW, Yb: KYW, Yb: SYS, Yb: BOYS, Yb: CaF 2 , normalmente operando alrededor de 1020-1050 nm. Son potencialmente muy eficientes y de alta potencia debido a un pequeño defecto cuántico. Con Yb: YAG se pueden lograr potencias extremadamente altas en pulsos ultracortos. Los cristales YAG dopados con holmio emiten a 2097 nm y forman un láser eficiente que opera en infrarrojoslongitudes de onda fuertemente absorbidas por los tejidos que contienen agua. El Ho-YAG generalmente se opera en modo pulsado y se pasa a través de dispositivos quirúrgicos de fibra óptica para resurgir las articulaciones, eliminar la pudrición de los dientes, vaporizar cánceres y pulverizar cálculos renales y biliares.

El zafiro dopado con titanio ( Ti: zafiro ) produce un láser infrarrojo altamente sintonizable , comúnmente utilizado para espectroscopía . También se destaca por su uso como un láser de modo bloqueado que produce pulsos ultracortos de potencia pico extremadamente alta.

Las limitaciones térmicas en los láseres de estado sólido surgen de la potencia de la bomba no convertida que calienta el medio. Este calor, cuando se combina con un coeficiente termoóptico alto (d n / d T ) puede causar lente térmica y reducir la eficiencia cuántica. Los láseres de disco delgado bombeados por diodos superan estos problemas al tener un medio de ganancia que es mucho más delgado que el diámetro del haz de la bomba. Esto permite una temperatura más uniforme en el material. Se ha demostrado que los láseres de disco delgado producen haces de hasta un kilovatio. [51]

Láseres de fibra

Artículo principal: láser de fibra

Láseres de estado sólido o amplificadores de láser donde la luz es guiada debido a la reflexión interna total en una fibra óptica monomodo se denominan en cambio láseres de fibra . El guiado de la luz permite regiones de ganancia extremadamente largas que proporcionan buenas condiciones de enfriamiento; las fibras tienen una alta relación de superficie a volumen que permite un enfriamiento eficiente. Además, las propiedades de guía de ondas de la fibra tienden a reducir la distorsión térmica del haz. Los iones de erbio e iterbio son especies activas comunes en tales láseres.

Muy a menudo, el láser de fibra está diseñado como una fibra de doble revestimiento . Este tipo de fibra consta de un núcleo de fibra, un revestimiento interior y un revestimiento exterior. El índice de las tres capas concéntricas se elige de modo que el núcleo de la fibra actúe como una fibra monomodo para la emisión del láser, mientras que el revestimiento exterior actúa como un núcleo altamente multimodo para el láser de bombeo. Esto permite que la bomba propague una gran cantidad de energía hacia y a través de la región activa del núcleo interno, sin dejar de tener una alta apertura numérica (NA) para tener condiciones de lanzamiento fáciles.

La luz de la bomba se puede utilizar de manera más eficiente creando un láser de disco de fibra o una pila de tales láseres.

Los láseres de fibra tienen un límite fundamental en el sentido de que la intensidad de la luz en la fibra no puede ser tan alta que las no linealidades ópticas inducidas por la intensidad del campo eléctrico local puedan volverse dominantes y evitar el funcionamiento del láser y / o conducir a la destrucción del material de la fibra. Este efecto se llama fotooscuro . En materiales láser a granel, el enfriamiento no es tan eficiente y es difícil separar los efectos del fotooscuro de los efectos térmicos, pero los experimentos en fibras muestran que el fotooscuro puede atribuirse a la formación de centros de color de larga duración . [ cita requerida ]

Láseres de cristal fotónico

Los láseres de cristal fotónico son láseres basados ​​en nanoestructuras que proporcionan el modo de confinamiento y la densidad de la estructura de estados ópticos (DOS) necesarios para que se produzca la retroalimentación. [se necesita aclaración ] Son típicamente del tamaño de un micrómetro [ dudoso - discutir ] y sintonizables en las bandas de los cristales fotónicos. [52] [ aclaración necesaria ]

Láseres semiconductores

Artículo principal: Láseres semiconductores
Un diodo láser comercial de `` lata cerrada '' de 5,6 mm, como los que se utilizan en un reproductor de CD o DVD

Los láseres semiconductores son diodos que se bombean eléctricamente. La recombinación de electrones y huecos creados por la corriente aplicada introduce ganancia óptica. La reflexión de los extremos del cristal forma un resonador óptico, aunque el resonador puede ser externo al semiconductor en algunos diseños.

Los diodos láser comerciales emiten a longitudes de onda de 375 nm a 3500 nm. [53] Los diodos láser de potencia baja a media se utilizan en punteros láser , impresoras láser y reproductores de CD / DVD. Los diodos láser también se utilizan con frecuencia para bombear ópticamente otros láseres con alta eficiencia. Los diodos láser industriales de mayor potencia, con una potencia de hasta 20 kW, se utilizan en la industria para cortar y soldar. [54] Los láseres semiconductores de cavidad externa tienen un medio activo semiconductor en una cavidad más grande. Estos dispositivos pueden generar salidas de alta potencia con buena calidad de haz, radiación de ancho de línea estrecho sintonizable en longitud de onda o pulsos láser ultracortos.

En 2012, Nichia y OSRAM desarrollaron y fabricaron diodos láser verdes comerciales de alta potencia (515/520 nm), que compiten con los tradicionales láseres de estado sólido bombeados por diodos. [55] [56]

Los láseres emisores de superficie de cavidad vertical ( VCSEL ) son láseres semiconductores cuya dirección de emisión es perpendicular a la superficie de la oblea. Los dispositivos VCSEL suelen tener un haz de salida más circular que los diodos láser convencionales. A partir de 2005, sólo los VCSEL de 850 nm están ampliamente disponibles, y los VCSEL de 1300 nm están comenzando a comercializarse, [57] y los dispositivos de 1550 nm son un área de investigación. Los VECSEL son VCSEL de cavidad externa. Los láseres de cascada cuántica son láseres semiconductores que tienen una transición activa entre subbandas de energía de un electrón en una estructura que contiene varios pozos cuánticos .

El desarrollo de un láser de silicio es importante en el campo de la computación óptica . El silicio es el material de elección para los circuitos integrados , por lo que los componentes electrónicos y fotónicos de silicio (como las interconexiones ópticas ) podrían fabricarse en el mismo chip. Desafortunadamente, el silicio es un material de láser difícil de manejar, ya que tiene ciertas propiedades que bloquean el láser. Sin embargo, recientemente los equipos han producido láseres de silicio a través de métodos como la fabricación del material láser a partir de silicio y otros materiales semiconductores, como el fosfuro de indio (III) o el arseniuro de galio (III)., materiales que permiten producir luz coherente a partir del silicio. Estos se denominan láser de silicio híbrido . Desarrollos recientes también han demostrado el uso de láseres de nanocables integrados monolíticamente directamente en silicio para interconexiones ópticas, allanando el camino para aplicaciones a nivel de chip. [58] Estos láseres de nanocables heteroestructura capaces de interconectarse ópticamente en silicio también son capaces de emitir pares de pulsos de picosegundos bloqueados en fase con una frecuencia de repetición de hasta 200 GHz, lo que permite el procesamiento de señales ópticas en el chip. [22] Otro tipo es un láser Raman , que aprovecha la dispersión Raman para producir un láser a partir de materiales como el silicio.

Láseres de tinte

Primer plano de un láser de colorante de mesa basado en rodamina 6G

Los láseres de tinte utilizan un tinte orgánico como medio de ganancia. El amplio espectro de ganancia de los tintes disponibles, o mezclas de tintes, permite que estos láseres sean altamente sintonizables o produzcan pulsos de muy corta duración ( del orden de unos pocos femtosegundos ). Aunque estos láseres sintonizables se conocen principalmente en su forma líquida, los investigadores también han demostrado una emisión sintonizable de ancho de línea estrecho en configuraciones de oscilador dispersivo que incorporan medios de ganancia de colorante de estado sólido. En su forma más frecuente, estos láseres de colorante de estado sólido utilizan polímeros dopados con colorante como medio láser.

Láseres de electrones libres

El láser de electrones libres FELIX en el Instituto FOM de Física del Plasma Rijnhuizen, Nieuwegein

Los láseres de electrones libres , o FEL, generan radiación coherente de alta potencia que es ampliamente sintonizable, que actualmente varía en longitud de onda desde microondas hasta radiación de terahercios e infrarrojo al espectro visible, hasta rayos X suaves. Tienen el rango de frecuencia más amplio de cualquier tipo de láser. Si bien los rayos FEL comparten los mismos rasgos ópticos que otros láseres, como la radiación coherente, el funcionamiento de FEL es bastante diferente. A diferencia de los láseres de gas, líquido o de estado sólido, que se basan en estados atómicos o moleculares ligados, los FEL utilizan un haz de electrones relativista como medio láser, de ahí el término electrón libre .

Medios exóticos

La búsqueda de un láser de alta energía cuántica que utilice transiciones entre estados isoméricos de un núcleo atómico ha sido objeto de una amplia investigación académica desde principios de la década de 1970. Gran parte de esto se resume en tres artículos de revisión. [59] [60] [61] Esta investigación ha sido de alcance internacional, pero se basa principalmente en la ex Unión Soviética y los Estados Unidos. Si bien muchos científicos siguen siendo optimistas de que se acerca un gran avance, aún no se ha realizado un láser de rayos gamma operativo . [62]

Algunos de los primeros estudios se dirigieron hacia pulsos cortos de neutrones que excitan el estado del isómero superior en un sólido, por lo que la transición de rayos gamma podría beneficiarse del estrechamiento de líneas del efecto Mössbauer . [63] [64] En conjunto, se esperaban varias ventajas del bombeo en dos etapas de un sistema de tres niveles. [65] Se conjeturaba que el núcleo de un átomo, incrustado en el campo cercano de una nube de electrones de oscilación coherente impulsada por láser, experimentaría un campo dipolo más grande que el del láser impulsor. [66] [67]Además, la no linealidad de la nube oscilante produciría armónicos tanto espaciales como temporales, por lo que las transiciones nucleares de mayor multipolaridad también podrían impulsarse a múltiplos de la frecuencia del láser. [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74]

En septiembre de 2007, BBC News informó que se especulaba sobre la posibilidad de utilizar la aniquilación de positronio para impulsar un láser de rayos gamma muy potente . [75] El Dr. David Cassidy de la Universidad de California, Riverside propuso que un solo láser de este tipo podría usarse para encender una reacción de fusión nuclear , reemplazando los bancos de cientos de láseres actualmente empleados en experimentos de fusión por confinamiento inercial . [75]

Los láseres de rayos X basados ​​en el espacio bombeados por una explosión nuclear también se han propuesto como armas antimisiles. [76] [77] Dichos dispositivos serían armas de un solo disparo.

Se han utilizado células vivas para producir luz láser. [78] [79] Las células fueron diseñadas genéticamente para producir proteína verde fluorescente (GFP). El GFP se utiliza como "medio de ganancia" del láser, donde tiene lugar la amplificación de la luz. Luego, las células se colocaron entre dos espejos diminutos, de solo 20 millonésimas de metro de ancho, que actuaban como la "cavidad láser" en la que la luz podía rebotar muchas veces a través de la célula. Al bañar la celda con luz azul, se pudo ver que emitía una luz láser verde intensa y dirigida.

Láseres naturales

Al igual que los máseres astrofísicos , los gases planetarios o estelares irradiados pueden amplificar la luz produciendo un láser natural. [80] Marte , [81] Venus y MWC 349 exhiben este fenómeno.

Usos

Los láseres varían en tamaño, desde láseres de diodo microscópicos (arriba) con numerosas aplicaciones, hasta láseres de vidrio de neodimio del tamaño de un campo de fútbol (abajo) utilizados para la fusión por confinamiento inercial , la investigación de armas nucleares y otros experimentos físicos de alta densidad de energía.
Artículo principal: Lista de aplicaciones para láseres

Cuando se inventaron los láseres en 1960, se los llamó "una solución en busca de un problema". [82] Desde entonces, se han vuelto omnipresentes, encontrando utilidad en miles de aplicaciones muy variadas en todos los sectores de la sociedad moderna, incluida la electrónica de consumo , la tecnología de la información, la ciencia, la medicina, la industria, la aplicación de la ley , el entretenimiento y el ejército . La comunicación por fibra óptica mediante láseres es una tecnología clave en las comunicaciones modernas, que permite servicios como Internet .

El primer uso ampliamente notorio de láseres fue el lector de códigos de barras de los supermercados , introducido en 1974. El reproductor de discos láser , introducido en 1978, fue el primer producto de consumo exitoso que incluyó un láser, pero el reproductor de discos compactos fue el primer dispositivo equipado con láser que se volvió común , comenzando en 1982 seguido en breve por las impresoras láser .

Algunos otros usos son:

  • Comunicaciones: además de la comunicación por fibra óptica , los láseres se utilizan para la comunicación óptica en el espacio libre , incluida la comunicación por láser en el espacio .
  • Medicina: ver más abajo .
  • Industria: el corte incluyendo la conversión de materiales delgados, la soldadura , el material de tratamiento de calor , marcado partes ( grabado y unión ), fabricación de aditivos o la impresión 3D procesos tales como selectiva por láser de sinterización y fusión selectiva por láser , la medición sin contacto de las piezas y escaneado 3D , y laser limpieza .
  • Militar: marcar objetivos, guiar municiones , defensa antimisiles , contramedidas electroópticas (EOCM) , lidar , cegar tropas, visor de armas de fuego . Ver abajo
  • Aplicación de la ley : aplicación de la ley de tráfico LIDAR . Los láseres se utilizan para la detección de huellas dactilares latentes en el campo de la identificación forense [83] [84]
  • Investigación: espectroscopia , ablación láser , recocido láser , dispersión láser , interferometría láser , lidar , microdisección de captura láser , microscopía de fluorescencia , metrología , enfriamiento láser .
  • Los productos comerciales: impresoras láser , escáneres de códigos de barras , termómetros , punteros láser , hologramas , bubblegrams .
  • Entretenimiento: discos ópticos , pantallas de iluminación láser , tocadiscos láser

En 2004, excluyendo los láseres de diodo, se vendieron aproximadamente 131.000 láseres por un valor de 2.190 millones de dólares estadounidenses. [85] En el mismo año, se vendieron aproximadamente 733 millones de láseres de diodo, valorados en $ 3,20 mil millones. [86]

En medicina

Artículos principales: Medicina láser y láseres en el tratamiento del cáncer.

Los láseres tienen muchos usos en medicina, incluida la cirugía con láser (especialmente la cirugía ocular ), la curación con láser, el tratamiento de cálculos renales , la oftalmoscopia y los tratamientos cosméticos para la piel, como el tratamiento del acné , la reducción de la celulitis y las estrías y la depilación .

Los láseres se utilizan para tratar el cáncer reduciendo o destruyendo tumores o crecimientos precancerosos. Se utilizan con mayor frecuencia para tratar cánceres superficiales que se encuentran en la superficie del cuerpo o en el revestimiento de los órganos internos. Se utilizan para tratar el cáncer de piel de células basales y las primeras etapas de otros como el cáncer de cuello uterino , pene , vagina , vulva y pulmón de células no pequeñas . La terapia con láser a menudo se combina con otros tratamientos, como cirugía , quimioterapia o radioterapia . Termoterapia intersticial inducida por láser (LITT) o láser intersticialfotocoagulación , utiliza láseres para tratar algunos cánceres mediante hipertermia, que utiliza calor para encoger los tumores dañando o destruyendo las células cancerosas. Los láseres son más precisos que los métodos quirúrgicos tradicionales y causan menos daño, dolor, sangrado , hinchazón y cicatrices. Una desventaja es que los cirujanos deben tener una formación especializada. Puede ser más caro que otros tratamientos. [87] [88]

Como armas

Artículo principal: arma láser

Un arma láser es un láser que se utiliza como arma de energía dirigida .

El arma táctica de alta energía estadounidense-israelí se ha utilizado para derribar cohetes y proyectiles de artillería.

Aficiones

En los últimos años, algunos aficionados se han interesado por los láseres. Los láseres utilizados por los aficionados son generalmente de clase IIIa o IIIb (consulte Seguridad ), aunque algunos han fabricado sus propios tipos de clase IV. [89] Sin embargo, en comparación con otros aficionados, los aficionados al láser son mucho menos comunes, debido al costo y los peligros potenciales involucrados. Debido al costo de los láseres, algunos aficionados utilizan medios económicos para obtener láseres, como rescatar diodos láser de reproductores de DVD rotos (rojo), reproductores de Blu-ray (violeta) o incluso diodos láser de mayor potencia de grabadoras de CD o DVD . [90]

Los aficionados también han estado tomando láseres pulsados ​​excedentes de aplicaciones militares retiradas y modificándolos para la holografía pulsada . Se han utilizado láseres pulsados ​​Ruby y YAG pulsados.

Ejemplos por poder

Aplicación del láser en imágenes de óptica adaptativa astronómica

Las diferentes aplicaciones necesitan láseres con diferentes potencias de salida. Los láseres que producen un haz continuo o una serie de pulsos cortos se pueden comparar sobre la base de su potencia promedio. Los láseres que producen pulsos también se pueden caracterizar en función de la potencia máxima de cada pulso. La potencia máxima de un láser pulsado es muchos órdenes de magnitud mayor que su potencia media. La potencia de salida media es siempre menor que la potencia consumida.

La potencia continua o media requerida para algunos usos:
PoderUsar
1–5 mWPunteros laser
5 mWUnidad de CD-ROM
5–10 mWReproductor de DVD o unidad de DVD-ROM
100 mWQuemador de CD-RW de alta velocidad
250 mWGrabador de DVD-R de 16 × de consumo
400 mWGrabación a través de un estuche con disco en 4 segundos [91]
Grabación de DVD 24 × de doble capa [92]
1 WLáser verde en el desarrollo de un prototipo de disco versátil holográfico
1–20 WSalida de la mayoría de los láseres de estado sólido disponibles comercialmente que se utilizan para el micromecanizado
30-100 WSellados CO típicos 2 láseres quirúrgicos [93]
100–3000 WLáseres de CO 2 sellados típicos utilizados en el corte por láser industrial

Ejemplos de sistemas pulsados ​​con alta potencia pico:

  • 700 TW (700 × 10 12 W) - Instalación nacional de ignición , un sistema láser de 192 haces y 1,8 megajulios contiguo a una cámara objetivo de 10 metros de diámetro [94]
  • 1.3 PW (1.3 × 10 15 W): el láser más poderoso del mundo desde 1998, ubicado en el Laboratorio Lawrence Livermore [95]

La seguridad

Artículo principal: seguridad láser
Izquierda: símbolo europeo de advertencia de láser requerido para láseres de Clase 2 y superiores. Derecha: etiqueta de advertencia de láser de EE. UU., En este caso para un láser de clase 3B

Incluso se reconoció que el primer láser era potencialmente peligroso. Theodore Maiman caracterizó el primer láser por tener el poder de un "Gillette", ya que podía quemar una hoja de afeitar Gillette . Hoy en día, se acepta que incluso los láseres de baja potencia con solo unos pocos milivatios de potencia de salida pueden ser peligrosos para la vista humana cuando el rayo golpea el ojo directamente o después de reflejarse en una superficie brillante. A longitudes de onda en las que la córnea y el cristalino pueden enfocar bien, la coherencia y la baja divergencia de la luz láser significa que el ojo puede enfocarla en un punto extremadamente pequeño de la retina , lo que resulta en quemaduras localizadas y daños permanentes en segundos o incluso menos. hora.

Los láseres generalmente están etiquetados con un número de clase de seguridad, que identifica qué tan peligroso es el láser:

  • La clase 1 es inherentemente segura, generalmente porque la luz está contenida en un gabinete, por ejemplo, en reproductores de CD.
  • La clase 2 es segura durante el uso normal; el reflejo de parpadeo del ojo evitará daños. Por lo general, hasta 1 mW de potencia, por ejemplo, punteros láser.
  • Los láseres de clase 3R (antes IIIa) suelen tener hasta 5 mW e implican un pequeño riesgo de daño ocular durante el tiempo del reflejo de parpadeo. Es probable que mirar fijamente un rayo de este tipo durante varios segundos cause daño en un punto de la retina.
  • La clase 3B puede causar daño ocular inmediato tras la exposición.
  • Los láseres de clase 4 pueden quemar la piel y, en algunos casos, incluso la luz dispersa puede dañar los ojos y / o la piel. Muchos láseres industriales y científicos pertenecen a esta clase.

Las potencias indicadas son para láseres de luz visible de onda continua. Para láseres pulsados ​​y longitudes de onda invisibles, se aplican otros límites de potencia. Las personas que trabajan con láseres de clase 3B y clase 4 pueden protegerse los ojos con gafas de seguridad diseñadas para absorber la luz de una longitud de onda determinada.

Los láseres infrarrojos con longitudes de onda superiores a aproximadamente 1,4 micrómetros a menudo se denominan "seguros para los ojos", porque la córnea tiende a absorber la luz en estas longitudes de onda, protegiendo la retina del daño. Sin embargo, la etiqueta "seguro para los ojos" puede inducir a error, ya que sólo se aplica a haces de ondas continuas de potencia relativamente baja; un láser de alta potencia o de conmutación Q en estas longitudes de onda puede quemar la córnea, provocando daños oculares graves, e incluso los láseres de potencia moderada pueden dañar el ojo.

Los láseres pueden ser un peligro para la aviación civil y militar, debido al potencial de distraer o cegar temporalmente a los pilotos. Consulte Láseres y seguridad de la aviación para obtener más información sobre este tema.

Las cámaras basadas en dispositivos de carga acoplada pueden ser más sensibles al daño del láser que los ojos biológicos. [96]

Ver también

  • Anti-láser
  • Absorbedor perfecto coherente
  • Ampliación homogénea
  • Ancho de línea láser
  • Lista de artículos láser
  • Lista de fuentes de luz
  • Nanolaser
  • Amplificación de sonido por emisión estimulada de radiación.
  • Spaser
  • Interferómetro de Fabry-Pérot

Referencias

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Otras lecturas

Libros

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  • Bromberg, Joan Lisa (1991). El láser en América, 1950-1970 . MIT Press. ISBN 978-0-262-02318-4 . 
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  • Wilson, J. y Hawkes, JFB (1987). Láseres: principios y aplicaciones . Serie internacional de Prentice Hall en optoelectrónica, Prentice Hall . ISBN 0-13-523697-5 . 
  • Yariv, Amnon (1989). Electrónica cuántica . 3ª ed. Wiley. ISBN 0-471-60997-8 . 

Publicaciones periódicas

  • Física Aplicada B: Láseres y Óptica ( ISSN 0946-2171 ) 
  • IEEE Journal of Lightwave Technology ( ISSN 0733-8724 ) 
  • IEEE Journal of Quantum Electronics ( ISSN 0018-9197 ) 
  • Revista IEEE de temas seleccionados en electrónica cuántica ( ISSN 1077-260X ) 
  • Cartas de tecnología fotónica IEEE ( ISSN 1041-1135 ) 
  • Revista de la Optical Society of America B: Física óptica ( ISSN 0740-3224 ) 
  • Mundo de enfoque láser ( ISSN 0740-2511 ) 
  • Letras de óptica ( ISSN 0146-9592 ) 
  • Espectros fotónicos ( ISSN 0731-1230 ) 

enlaces externos

  • Enciclopedia de física y tecnología láser por el Dr. Rüdiger Paschotta
  • Una guía práctica de láseres para experimentadores y aficionados por Samuel M. Goldwasser
  • Página de láseres hechos en casa por el profesor Mark Csele
  • El potente láser es la 'luz más brillante del universo' : el láser más potente del mundo en 2008 podría crear ondas de choque parecidas a las de una supernova y posiblemente incluso antimateria ( New Scientist , 9 de abril de 2008)
  • " Laser Fundamentals ", un curso en línea del Prof. F. Balembois y el Dr. S. Forget. Instrumentation for Optics , 2008, (consultado el 17 de enero de 2014)
  • Comunicado de prensa de Northrop Grumman sobre el producto láser táctico Firestrike de 15 kW.
  • Sitio web sobre el 50 aniversario de los láseres por APS, OSA, SPIE
  • Avanzando en el sitio del aniversario de Laser por SPIE: entrevistas en video, artículos de acceso abierto, carteles, DVD
  • Idea brillante: la historia de los primeros láseres de la invención, con clips de audio de entrevistas.
  • Software gratuito para simulación de dinámica láser aleatoria
  • Demostraciones de video en láseres y óptica producidas por el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT). Los efectos en tiempo real se demuestran de una manera que sería difícil de ver en un salón de clases.
  • Conferencia en video del MIT: Comprensión de los láseres y la fibra óptica
  • Museo Virtual de Historia del Láser, de la exposición itinerante de SPIE
  • sitio web con animaciones, aplicaciones e investigación sobre el láser y otros fenómenos cuánticos Universite Paris Sud