Trabajo Práctico Nº 6: Láser

Trabajo Práctico Nº 6: Láser

Ejercicio Nº 1: Explicar que es una luz láser a nivel molecular, y que diferencia tiene con la normal. Dibujar gráficamente que sucede a nivel atómico.

Un láser consta de un medio material en el cual se genera y amplifica la radiación electromagnética, un resonador óptico o cavidad resonante del tipo de Fabry-Perot, y un excitador que entrega energía al sistema (Figura 1). La cavidad resonante está compuesta por dos espejos reflectores para la longitud de onda de trabajo del láser, uno con muy buena reflexión (R≈100%) y el otro con una reflexión algo menor (R<100%), ubicados a una cierta distancia L.

[pic 1]

Figura 1: Esquema del láser

Los laceres constan de un medio activo capaz de generar el láser. Hay cuatro procesos básicos que se producen en la generación del láser, denominados bombeo, emisión espontánea de radiación, emisión estimulada de radiación y absorción.

BOMBEO

Se provoca mediante una fuente de radiación como puede ser una lámpara, el paso de una corriente eléctrica, o el uso de cualquier otro tipo de fuente energética que provoque una emisión. En el láser el bombeo puede ser eléctrico u óptico, mediante tubos de flash o luz.

EMISIÓN ESPONTÁNEA DE RADIACIÓN

Los electrones que vuelven al estado fundamental emiten fotones. Es un proceso aleatorio y la radiación resultante está formada por fotones que se desplazan en distintas direcciones y con fases distintas generándose una radiación monocromática incoherente.

EMISIÓN ESTIMULADA DE RADIACIÓN

La emisión estimulada, base de la generación de radiación de un láser, se produce cuando un átomo en estado excitado recibe un estímulo externo que lo lleva a emitir fotones y así retornar a un estado menos excitado. El estímulo en cuestión proviene de la llegada de un fotón con energía similar a la diferencia de energía entre los dos estados. Los fotones así emitidos por el átomo estimulado poseen fase, energía y dirección similares a las del fotón externo que les dio origen. La emisión estimulada descrita es la raíz de muchas de las características de la luz láser. No sólo produce luz coherente y monocroma, sino que también "amplifica" la emisión de luz, ya que por cada fotón que incide sobre un átomo excitado se genera otro fotón.

ABSORCIÓN

Proceso mediante el cual se absorbe un fotón. El sistema atómico se excita a un estado de energía más alto, pasando un electrón al estado metaestable. Este fenómeno compite con el de la emisión estimulada de radiación.

[pic 2]

Figura 2: esquema de los tipos de emisión

FUNCIONAMIENTO DEL LÁSER

La excitación externa modifica los niveles energéticos de los átomos o moléculas del material, provocando una inversión de población entre dichos niveles.                

 Los átomos o        moléculas pierden la energía adquirida en transiciones en las cuales emiten fotones; algunos de éstos provocan otras transiciones según el fenómeno de emisión estimulada produciendo nuevos fotones de igual longitud de onda y en fase con los que        excitan         la transición (amplificación de luz). Aquellos fotones que se mueven en la dirección del eje de la cavidad resonante, se reflejan en los espejos y contribuyen provocando nuevas transiciones; continúa la amplificación de luz. En este sentido los espejos actúan como un multiplicador de la longitud del medio material.

Luego de que la densidad de fotones en fase supere cierto valor crítico, el sistema no amplifica más la radiación en el interior de la cavidad resonante; se dice que continúa la oscilación aún cuando ha cesado la amplificación. Esto ocurre en el momento en que las pérdidas por transmisión, absorción        e imperfecciones en los espejos, y la dispersión y absorción del medio activo, sean iguales al número de fotones que se producen por acción de la emisión estimulada.

                                                                                    Figura 3

La figura 3 muestra esquemáticamente como se puede alcanzar la inversión de población de modo que pueda lograrse la acción láser. Los átomos del estado base E1 se “bombean” a un estado excitado E3, por ejemplo por absorción de energía luminosa de una fuente intensa de espectro continuo que rodee el material del láser. [pic 3]

A partir de E3 los átomos decaen rápidamente a un estado de energía E2. Este estado debe ser metaestable para que ocurra la acción láser; es decir, debe tener una vida media relativamente larga contra el decaimiento por emisión espontánea. Si las condiciones son las adecuadas, el estado E2, puede volverse entonces mas poblado que el estado E1, proporcionando  así la inversión de población  necesaria para que ocurra la emisión del rayo láser. Un fotón de la energía correcta puede entonces activar una avalancha de sucesos de emisión estimulada, la cual da por resultado la producción de la luz láser.

DIFERENCIAS CON LA LUZ NORMAL

• La luz láser es altamente monocromática mientras que la luz de tungsteno produce un espectro continuo.

• La luz láser es altamente coherente. Los trenes de onda de la luz láser pueden tener varios cientos de kilómetros de longitud. La longitud correspondiente de la coherencia de la luz de una lámpara de tungsteno es típicamente menor a 1 m.

• La luz láser es altamente direccional. Una luz láser se desvía de un paralelismo perfecto solo por dos efectos de difracción y el diámetro de de abertura de salida. La luz de otras fuentes puede formar un haz aproximadamente paralelo  por medio de una lente o de un espejo, pero la divergencia es mucho mayor.
• La luz Láser se puede enfocar con precisión. Esto se debe a su propiedad de ser altamente direccional.

Ejercicio Nº 2: Enumere aplicaciones del láser.

APLICACIONES DEL LÁSER

Los posibles usos del láser son casi ilimitados. El láser se ha convertido en una herramienta valiosa en la industria, la investigación científica, la tecnología militar o el arte.

INDUSTRIA

Es posible enfocar sobre un punto pequeño un haz de láser potente, con lo que se logra una enorme densidad de energía. Los haces enfocados pueden calentar, fundir o vaporizar materiales de forma precisa. Por ejemplo, los laceres se usan para taladrar diamantes, modelar máquinas herramientas, recortar componentes microelectrónicos, calentar chips semiconductores, cortar patrones de moda, sintetizar nuevos materiales o intentar inducir la fusión nuclear controlada. El potente y breve pulso producido por un láser también hace posibles fotografías de alta velocidad con un tiempo de exposición de algunas billonésimas de segundo. En la construcción de carreteras y edificios se utilizan laceres para alinear las estructuras.

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