JAVIER DELICADO GIL
IVÁN CASCANT BOTELLA
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INDICE
1.- Introducción
2.- El material
2.a) El rubí
2.b) Estructura y propiedades del rubí
2.c) Obtención de rubí natural
2.d) Rubí sintético
2.e) Aplicaciones
3.- ¿Qué es un láser?
4.- Tipo de láseres
5.- Láser de rubí
5.a) Estructura interna
5.b) Funcionamiento
5.c) Funcionamiento espectral
5.d) Características ópticas
6.- Aplicaciones del láser de rubí
7.- Bibliografía
2
2.- El mineral
El rubí





Se denomina “rubí” a la variedad noble del corindón, de
color rojo sangre.
Su nombre proviene de un joven geólogo llamado
Rubileiro.
Debe su color a los metales de hierro y cromo con los que
este asocia esta variedad de corindón (oxido de aluminio).
Las piedras de rubí se encuentran en rocas ígneas y
metamórficas. Cabe destacar Myanmar, Madagascar y
Tailandia como yacimientos.
Podemos distinguir entre rubí natural y rubí sintético.
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El rubí
Representa el mineral rubí.
Concretamente es un rubí
natural sin pulir, de 2cm
de largo, extraído en
Birmania, cerca de Nogok.
Rubí sintético,
material láser por
excelencia que
tiene múltiples
aplicaciones en
infinidad de
campos.
La figura representa
un rubí natural
pulido, preparado
para ornamentación y
más concretamente
para joyería.
4
Estructura y propiedades del rubí
Las propiedades generales se resumen en la siguiente tabla:
GENERAL
Categoría
Mineral
Fórmula química
Óxido de aluminio con una pequeña
concentración de impurezas de óxido de
cromo (con corindón)
IDENTIFICACIÓN
Color
Rojo; puede llegar a ser marrón o rosa
después de su pulido
Estructura
Hexagonal
Dureza: Escala de
Mohs
9
5
Estructura y propiedades del rubí


El rubí es formado generalmente por
monocristales de oxido de la aluminio con una
concentración de oxido de cromo III (0,052at. de
impurezas).
Propiedades físicas:
 Gran dureza (9 Mohs).
 Alto punto de fusión (2000K).
 Densidad 3 - 4,5mg/cm3.
 Configuración cristalina tetragonal.

Propiedades químicas:
 Resistencia a la corrosión.
 Poca solubilidad tanto en ácidos
como en bases.
6
Estructura y propiedades del rubí


El corindón es un sesquióxido con estructura
tridimensional.
Es una aglomeración compacta hexagonal:
 Con iones O2-, con 2/3 de las posiciones octaédricas
existentes ocupadas por Al3+.
 1/3 de las posiciones octaédricas restantes están sin
ocupar .
 Cada aluminio está coordinado a seis oxígenos estos
a cuatro átomos metálicos en la coordinación
aproximadamente tetraédrica.
 Los octaedros AlO6 de la red cristalina comparten
caras en la dirección del eje z y aristas en el plano
basal.
7
Estructura y propiedades del rubí
El corindón es un cristal prismático con una estructura
cristalina hexagonal acabada en punta o con una cara plana
(a=4,76Aº c=12Aº
Z=6)
8
Estructura y propiedades del rubí

Las siguientes figuras resumen con más claridad su estructura:
Estructura
de la de la
celda
unitaria de
Alúmina.
Organización de iones de
Aluminio (círculos rellenos)
y los emplazamientos no
ocupados (pequeños
círculos sin relleno) en los
lugares octaédricos
intersticiales del subretículo
HCP de Oxígeno (grandes
círculos sin relleno).
Disposición de los iones de
Oxígeno y Aluminio vistos a lo
largo de en el prisma del plano de
deslizamiento.
9
Obtención de rubí natural


Los principales yacimientos son Myanmar, Madagascar y
Tailandia.
Se obtiene de forma natural de las minas bauxíticas por el
método de lixiviación y flotación.
10
Rubí sintético


El rubí sintético posee, mismas características químicas, físicas y
estructurales que las gemas naturales .
Para obtener el rubí sintético hay que tener en cuenta la
concentración de cromo, ya que éste es el responsable de la emisión
láser.
Barra cilíndrica de rubí sintético
empleada para el láser
Diferentes barras de rubí sintético de
diferente longitud y nivel de dopa.
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Rubí sintético

En el siglo XIX, J.J.Ebelman (1849)
descubrió un segundo método; que
consistió en utilizar hornos industriales de
gran poder calorífico y capacidad, con
posibilidades de producir y mantener
temperaturas elevadas durante largo
tiempo, así como de trabajar con grandes
cantidades de material; además de probar
nuevos disolventes y colorantes, entre los
que destacan el aluminio y el cromato
potásico, respectivamente.
12
Rubí sintético

En 1891, Verneuil puso a punto otro método
diferente para producir rubíes sintéticos, la
técnica de “fusión por llama”. Esta técnica es la
más importante con la que se cuenta actualmente
para la producción de materiales gemológicos
sintéticos.

El método de Verneuil, consiste que es la fusión
en un crisol de iridio en aire o molibdeno en
atmósfera inerte o al vacío mediante calefacción
por inducción de RF.
13
Rubí sintético

La forma geométrica típica que adopta el rubí
sintético usado en un láser es la de unas barras
cilíndricas de 1 a 15mm de radio y de unos ocho
centímetros de largo.

Hay que diferenciar entre el rubí sintético y las
imitaciones.

Estos materiales son de aspecto similar al de la
piedra preciosa que simulan pero sin tener su
composición química, estructura o propiedades
físicas.
14
Aplicaciones

Rubí natural:


Se emplea para ornamentación y adornos de joyería
(considerado una de las 4 gemas preciosas; zafiro,
esmeralda, diamante y rubí).
Rubí sintético:
 Se
trata del material láser por excelencia con multitud
de aplicaciones en infinidad de campos.
NOTA: El rubí natural no es valido como media activo láser,
ya que contiene impurazas de Fe y estos tienes efectos de
apantallamiento de niveles energéticos.
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3.- ¿Qué es un láser?


El LÁSER (Light Amplification Simulated Emission of
Radiation), amplificación de luz por emisión estimulada de
radiación.
La luz procedente de un láser presenta unas premisas
básicas:




La luz láser es intensa.
Los haces láser son estrechos.
La luz láser es coherente.
Los laceres producen luz de un solo color (monocromática)
Experimento con láser, en
una de sus múltiples
aplicaciones.
16
4.- Tipos de láseres

Clasificación según el tipo de material que usamos:

Láseres de gas:
Sistema
Elemento
activo
Región
espectral o
color
Formar de
operación
Potencia
típica
He-Ne
Neón
Rojo
632,8nm
verde
infrarrojo
Continua
10mw
He-Cd
Cadmio
Violeta, UV
Continua
10mw
He-Se
Selenio
Verde
Continua
10mw
Ar+
Argón
Verde, azul
Continua
10w
Kr+
Kriptón
Rojo
Continua
10w
Co2-N2-He
Bióxido de
carbono
Infrarrojo10.
6µm
Continua o
pulsada
100W o más
17


Láseres sólidos:
Sistema
Elemento
activo
Región
espectral o
color
Formar de
operación
Potencia típica
Rubí
Cromo
Rojo694.3
Pulsada
---
Nd3+YAG
Neodimio
Infrarrojo1.06
µm
Continua o
pulsada
1W
Nd-Vidrio
Neodimio
Infrarrojo
Pulsada
---
Ga-As
Arsenuro de
Galio
Infrarrojo0.84
Continua o
pulsada
1W
Semiconductor
Silicio
Infrarrojo0.6-0.9
Continua o
pulsada
5W
Láseres líquidos: El medio activo es líquido y generalmente es un
colorante:

Ventajas: Se pueden sintonizar a cualquier color deseado, desde el infrarrojo
hasta el ultravioleta, según el colorante que se use.

Desventajas: Su excitación tiene que hacerse con el haz coherente de otro
láser, como el de argón.
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5.- Láser de rubí

Primer material con el que se obtuvo luz
coherente, históricamente fue el primer láser
que se utilizo en el mundo.

Fue construido por Theodore Maiman en
1960, quien usó como medio activo un
cristal de rubí sintético.
19
Estructura interna
La estructura interna del láser de rubí consta de:




Dos espejos, la varilla de rubí, pulida minuciosamente por
sus extremos y bañada en plata. Además consta de una
lámpara de flash (contiene xenón normalmente).
Una descarga eléctrica en el Xenón, produce una descarga
intensa, la cual es absorbida por la varilla de rubí. La lámpara
de flash es excitada por la descarga del condensador.
La varilla de rubí debe tener un sistema de enfriamiento
debido a la gran cantidad de calor que se genera por cada
descarga.
Los centros activos en el rubí son los iones de cromo, Cr+3
20
Estructura interna
Las barras utilizadas suelen ser de un diámetro del orden de los 10 mm y
de una longitud entre 5 y 20 cm aunque pueden ser de mayores
dimensiones. Se han encontrado, además, otras geometrías para la
lámpara flash de excitación
21
Funcionamiento

Sigue la misma pauta que otros láseres de
tipo sólido. Las premisas se pueden resumir
en:
1.
2.
Se parte de un cilindro de cristal fabricado a
temperaturas mayores de 1500 grados, pero
contaminado de con cierta cantidad de minerales raros
como el neodimio o una mezcla de cromo y óxido de
aluminio.
Sobre el cilindro de cristal (rubí) se descargan fuertes
destellos luminosos de luz blanca con lámparas de flash
en toda su longitud y estimulan la emisión de fotones.
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Funcionamiento
Los destellos son reconducidos por las caras de
las bases en forma de luz láser.
4. El cilindro de cristal y las lámparas, están
contenidas dentro de un recipiente bien
refrigerado, y una de las caras planas se
encuentra un orificio por el que surge el haz de
rayos de láser.
5. El láser de rubí es emitido a destellos o impulsos
(pulsátil), su potencia es considerable pudiendo
llegar hasta 1000 W o más.
3.
23
Funcionamiento espectral




Tiene forma de barra, con extremos paralelos,
pulidos y recubiertos con plata para de modo
que uno sea totalmente reflejante y el otro
parcialmente transparente.
El rubí se ilumina con una lámpara de Xenón.
Inicialmente los iones Cr3+ ocupan el estado
fundamental (menor energía).
La lámpara de Xenón excita los e- de los iones
Cr3+ hasta los estados de energía más
elevados.
24
Funcionamiento espectral

Los e- pueden caer al estado fundamental por dos
caminos:


Directamente y las emisiones de los fotones asociados no forman
parte del rayo láser.
Caen a un estado intermedio metaestable.
25
Funcionamiento espectral
Esquemáticamente el proceso se puede resumir en:
1.
2.
3.
Los electrones de algunos átomos de cromo se excitan a
estados de energía superior producidos por una intensa
explosión de luz de una lámpara de xenón conectada a un
alto voltaje.
De un nivel de energía superior caen a un estado
metaestable, emitiendo fotones que pueden excitar a otros
iones Cr+3.
Los fotones a partir de un átomo estimulan la emisión de
fotones de otros átomos y la intensidad de luz se amplifica
rápidamente.
26
Funcionamiento espectral
4.
5.
6.
Los espejos de cada extremo reflejan los fotones
hacia delante y hacia atrás.
Después de la reflexión de los extremos
recubiertos de plata, los fotones continúan
estimulando la emisión a medida que van pasando
de un extremo a otro de la barra.
Finalmente, a través del extremo parcialmente
plateado, se emite un intenso rayo de luz.
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Características ópticas
La principal longitud de onda es de 693,4 nm.
La salida para el láser de rubí varía desde unos cuantos milijulios
hasta varios cientos de julios.
Eficiencia típica de 0,5%Diámetro del haz típico (mm) varia de 5-10.
Divergencia típica (mrads) es igual a 5.
28
6.- Aplicaciones del Láser de rubí

Este láser ha sido utilizado con éxito en
aplicaciones industriales, militares, médicas
y científicas.

Es muy costosos y complicada la
fabricación de las barras sintéticas de rubí
29
Aplicaciones industriales:



Uso en la microperforación.
Producción de componentes electrónicos de
precisión.
Productor de ventas en logotipos
comerciales.
30
Aplicaciones médicas

Uso en el tratamiento de problemas
dermatológicos.

Tumores cancerosos.

Como cauterizador o bisturí láser.
31
Aplicaciones en el campo de la
industria militar

Utilizados como marcadores de blanco.
32
Aplicaciones científicas

Son muy variadas:
 Obtención
de energía por micro-explosiones
termonucleares de fusión.
33
7.- Bibliografía











Libro de consulta: Callister: Materials Science and Engineering:
An Introduction, 6th Edition
http://es.wikipedia.org/wiki/Rub%C3%AD
http://www.raulybarra.com/notijoya/archivosnotijoya2/2rubi.htm
http://www.anyan.com.ar/julio2001/el%20rubi.htm
http://www.ub.es/escgem/pedrames-es.htm
http://www.fi.uba.ar/laboratorios/ll/Laserrubi.htm
http://www.um.es/LEQ/laser/Ch-6/C6s2t1p2.htm
http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/1
05/htm/sec_7.htm
http://www.monografias.com/trabajos/laser/laser.shtml
http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/0
84/htm/sec_7.htm
http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%A1ser
34
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