Cómo crear un rayo láser

Al aprovechar el poder de la luz a través de láseres, puede usar láseres para una variedad de propósitos y comprenderlos mejor al estudiar la física y la química subyacentes que los hacen funcionar.

Generalmente, un láser se produce mediante un material láser, ya sea sólido, líquido o gaseoso, que emite radiación en forma de luz. Como acrónimo de "amplificación de luz por emisión estimulada de radiación", el método de emisiones estimuladas muestra cómo los láseres se diferencian de otras fuentes de radiación electromagnética. Saber cómo emergen estas frecuencias de luz puede permitirle aprovechar su potencial para diversos usos.

Los láseres se pueden definir como un dispositivo que activa electrones para emitir radiación electromagnética. Esta definición de láser significa que la radiación puede tomar la forma de cualquier tipo en el espectro electromagnético, desde ondas de radio hasta rayos gamma.

Generalmente, la luz de los láseres viaja a lo largo de un camino estrecho, pero también son posibles láseres con una amplia gama de ondas emitidas. A través de estas nociones de láseres, puede pensar en ellos como olas como olas del océano en la orilla del mar.

Los científicos han descrito los láseres en términos de su coherencia, una característica que describe si la diferencia de fase entre dos señales es escalonada y tienen la misma frecuencia y forma de onda. Si imagina los láseres como ondas con picos, valles y valles, la diferencia de fase sería cómo en qué medida una onda no está del todo sincronizada con otra o qué tan lejos estarían las dos ondas de superposición.

La frecuencia de la luz es cuántos picos de onda pasan a través de un punto dado en un segundo, y la longitud de onda es la longitud total de una sola onda de valle a valle o de pico a pico.

Los fotones, partículas cuánticas de energía individuales, forman la radiación electromagnética de un láser. Estos paquetes cuantificados significan que la luz de un láser siempre tiene la energía como un múltiplo de la energía de un fotón único y que viene en estos "paquetes" cuánticos. Esto es lo que hace las ondas electromagnéticas. como una partícula.

Muchos tipos de dispositivos emiten láseres, como cavidades ópticas. Estas son cámaras que reflejan la luz de un material que emite radiación electromagnética hacia sí mismo. Por lo general, están hechos de dos espejos, uno en cada extremo del material de modo que, cuando reflejan la luz, los rayos de luz se vuelven más fuertes. Estas señales amplificadas salen a través de una lente transparente en el extremo de la cavidad del láser.

Cuando está en presencia de una fuente de energía, como una batería externa que suministra corriente, el material que emite radiación electromagnética emite la luz del láser en varios estados de energía. Estos niveles de energía, o niveles cuánticos, dependen del material fuente en sí. Es más probable que los estados de mayor energía de los electrones en el material sean inestables o en estados excitados, y el láser los emitirá a través de su luz.

A diferencia de otras luces, como la luz de una linterna, los láseres emiten luz en pasos periódicos consigo mismos. Eso significa que la cresta y el valle de cada onda de un láser se alinean con las de las ondas que vienen antes y después, haciendo que su luz sea coherente.

Los láseres están diseñados de esta manera de manera que emitan luz de frecuencias específicas del espectro electromagnético. En muchos casos, esta luz toma la forma de haces estrechos y discretos que los láseres emiten a frecuencias precisas, pero algunos láseres emiten rangos de luz amplios y continuos.

Una característica de un láser alimentado por una fuente de energía externa que puede ocurrir es una inversión de población. Esta es una forma de emisión estimulada, y ocurre cuando el número de partículas en un estado excitado supera en número a las que se encuentran en un estado de energía de menor nivel.

Cuando el láser logra la inversión de población, la cantidad de esta emisión estimulada que la luz puede crear será mayor que la cantidad de absorción de los espejos. Esto crea un amplificador óptico y, si coloca uno dentro de una cavidad óptica resonante, ha creado un oscilador láser.

Estos métodos de excitación y emisión de electrones forman la base para que los láseres sean una fuente de energía, un principio del láser que se encuentra en muchos usos. Los niveles cuantificados que pueden ocupar los electrones van desde los de baja energía que no requieren mucha energía para ser liberados y partículas de alta energía que permanecen cerca y apretadas al núcleo. Cuando el electrón se libera debido a que los átomos chocan entre sí en la orientación y el nivel de energía correctos, se trata de una emisión espontánea.

Cuando se produce una emisión espontánea, el fotón emitido por el átomo tiene una fase y una dirección aleatorias. Esto se debe a que el principio de incertidumbre evita que los científicos conozcan la posición y el momento de una partícula con perfecta precisión. Cuanto más sepa de la posición de una partícula, menos sabe de su impulso, y viceversa.

Puede calcular la energía de estas emisiones utilizando la ecuación de Planck

por una energíamien julios, frecuenciaνdel electrón en s^-1 y la constante de Planckh​ = ​6.63 × 10^-34 metro² kg / s.La energía que tiene un fotón al ser emitido por un átomo también se puede calcular como un cambio de energía. Para encontrar la frecuencia asociada con este cambio de energía, calculeνutilizando los valores energéticos de esta emisión.

Dada la amplia gama de usos de los láseres, los láseres se pueden clasificar según el propósito, el tipo de luz o incluso los materiales de los láseres en sí. Encontrar una forma de categorizarlos debe tener en cuenta todas estas dimensiones de los láseres. Una forma de agruparlos es por la longitud de onda de la luz que utilizan.

La longitud de onda de la radiación electromagnética de un láser determina la frecuencia y la fuerza de la energía que utilizan. Una mayor longitud de onda se correlaciona con una menor cantidad de energía y una menor frecuencia. Por el contrario, una mayor frecuencia de un haz de luz significa que tiene más energía.

También puede agrupar los láseres por la naturaleza del material del láser. Los láseres de estado sólido utilizan una matriz sólida de átomos como el neodimio que se utiliza en el cristal de granate de itrio y aluminio que alberga los iones de neodimio para estos tipos de láser. Los láseres de gas utilizan una mezcla de gases en un tubo como el helio y el neón que crean un color rojo. Los láseres de tinte se crean a partir de materiales de tinte orgánicos en soluciones o suspensiones líquidas.

Los láseres de tinte utilizan un medio láser que suele ser un tinte orgánico complejo en solución o suspensión líquida. Los láseres semiconductores utilizan dos capas de material semiconductor que pueden integrarse en matrices más grandes. Los semiconductores son materiales que conducen electricidad utilizando la fuerza entre la de un aislante y un conductor. que utilizan pequeñas cantidades de impurezas, o sustancias químicas introducidas, debido a sustancias químicas introducidas o cambios en temperatura.

Para todos sus diferentes usos, todos los láseres utilizan estos dos componentes de una fuente de luz en forma de sólido, líquido o gas que emite electrones y algo para estimular esta fuente. Puede ser otro láser o la emisión espontánea del propio material láser.

Algunos láseres utilizan sistemas de bombeo, métodos para aumentar la energía de las partículas en el medio láser que les permiten alcanzar sus estados excitados para realizar una inversión de población. Se puede utilizar una lámpara de destello de gas en el bombeo óptico que lleva energía al material láser. En los casos en los que la energía del material láser depende de las colisiones de los átomos dentro del material, el sistema se denomina bombeo por colisión.

Los componentes de un rayo láser también varían en cuanto al tiempo que tardan en entregar energía. Los láseres de onda continua utilizan una potencia de haz media estable. Con sistemas de mayor potencia, generalmente puede ajustar la potencia, pero, con láseres de gas de menor potencia como los láseres de helio-neón, el nivel de potencia se fija en función del contenido del gas.

El láser de helio-neón fue el primer sistema de onda continua y se sabe que emite una luz roja. Históricamente, usaban señales de radiofrecuencia para excitar su material, pero hoy en día usan una pequeña descarga de corriente continua entre electrodos en el tubo del láser.

Cuando los electrones del helio se excitan, emiten energía a los átomos de neón a través de colisiones que crean una inversión de población entre los átomos de neón. El láser de helio-neón también puede funcionar de manera estable a altas frecuencias. Se utiliza para alinear tuberías, topografía y rayos X.

Tres gases nobles, argón, criptón y xenón, han demostrado su uso en aplicaciones de láser en docenas de frecuencias de láser que van desde el ultravioleta al infrarrojo. También puede mezclar estos tres gases entre sí para producir frecuencias y emisiones específicas. Estos gases en sus formas iónicas permiten que sus electrones se exciten al chocar entre sí hasta que logran la inversión de la población.

Muchos diseños de este tipo de láseres le permitirán seleccionar una cierta longitud de onda para que la cavidad emita para lograr las frecuencias deseadas. Manipular el par de espejos dentro de la cavidad también puede permitirle aislar frecuencias de luz singulares. Los tres gases, argón, criptón y xenón, le permiten elegir entre muchas combinaciones de frecuencias de luz.

Estos láseres producen salidas que son muy estables y no generan mucho calor. Estos láseres muestran los mismos principios químicos y físicos que se utilizan en los faros, así como las lámparas eléctricas brillantes como los estroboscopios.

Los láseres de dióxido de carbono son los más eficientes y efectivos de los láseres de onda continua. Funcionan usando una corriente eléctrica en un tubo de plasma que tiene gas de dióxido de carbono. Las colisiones de electrones excitan estas moléculas de gas que luego emiten energía. También puede agregar nitrógeno, helio, xenón, dióxido de carbono y agua para producir diferentes frecuencias de láser.

Al observar los tipos de láser que se pueden usar en diferentes áreas, puede determinar cuáles pueden generar grandes cantidades de energía. porque tienen una alta tasa de eficiencia tal que utilizan una proporción significativa de la energía que se les da sin dejar pasar mucho desperdicio. Mientras que los láseres de helio-neón tienen una tasa de eficiencia de menos del 0,1%, la tasa de los láseres de dióxido de carbono es de alrededor del 30 por ciento, 300 veces la de los láseres de helio-neón. A pesar de esto, los láseres de dióxido de carbono necesitan un recubrimiento especial, a diferencia de los láseres de helio-neón, para reflejar o transmitir sus frecuencias apropiadas.

Los láseres excímeros utilizan luz ultravioleta (UV) que, cuando se inventó por primera vez en 1975, intentó crear un haz de láseres enfocado para obtener precisión en microcirugía y microlitografía industrial. Su nombre proviene del término "dímero excitado" en el que un dímero es el producto de combinaciones de gases que son eléctricamente excitado con una configuración de nivel de energía que crea frecuencias específicas de luz en el rango UV de la electromagnética espectro.

Estos láseres utilizan gases reactivos como el cloro y el flúor junto con cantidades de gases nobles argón, criptón y xenón. Los médicos y los investigadores todavía están explorando sus usos en aplicaciones quirúrgicas debido a lo poderosos y efectivos que pueden usarse para aplicaciones láser de cirugía ocular. Los láseres excímeros no generan calor en la córnea, pero su energía puede romper los enlaces intermoleculares en tejido corneal en un proceso llamado "descomposición fotoablativa" sin causar daño innecesario a la ojo.