Juan José Suárez Menéndez
IES “Pando” de Oviedo
EL LÁSER
 Son
realmente pocos los
descubrimientos científicos del siglo
XX que han tenido una repercusión
tan profunda en nuestra vida
científica y tecnológica como la
ocasionada por el láser.
EL LÁSER
Este instrumento ha permitido en muchas
ramas de la ciencia un avance sin
precedente que, sin él, no hubiera sido
posible.
 Asimismo, son innumerables las
aplicaciones del láser en diferentes
campos tecnológicos.

EL LÁSER
 Ha
permitido solucionar tantos
problemas científicos y
tecnológicos que se le llegó a
definir como "instrumento que es
solución en busca de problemas".
EL LÁSER
 ¿De
qué manera funciona este
versátil instrumento, capaz de
permitirnos detectar un solo átomo o
de cortar como si fuera mantequilla
una placa de acero de varios
centímetros de espesor?
EL LÁSER
 Explicar
su funcionamiento es el
objetivo del presente tema; esto es,
presentar una exposición capaz de
responder con claridad las siguientes
preguntas:
EL LÁSER
 ¿qué
es un láser?,
 ¿cómo funciona?,
 ¿cómo llegó a desarrollarse?,
 ¿cuántos tipos de láser existen y qué
aplicación se da a cada uno de ellos?
LUZ Y MATERIA
 El
desarrollo del láser, como el de
cualquier otro descubrimiento
importante, fue posible gracias a
los avances previamente
logrados en otras disciplinas
científicas.
LUZ Y MATERIA
 En
el caso que nos ocupa, estas
disciplinas las encontramos
fundamentalmente en la Física
Moderna y, en particular, en la
parte de ésta llamada Mecánica
Cuántica.
LUZ Y MATERIA
 A su
vez, el germen que dio origen a
la mecánica cuántica lo encontramos
en el siglo XIX, cuando los científicos
de la época trataron de encontrar la
distribución del espectro emitido por
un cuerpo caliente.
LUZ Y MATERIA: La radiación térmica
 Si
calentamos un objeto a 200° C
podremos notar al acercar la
mano a éste que emite cierta
radiación invisible llamada calor o
radiación infrarroja.
LUZ Y MATERIA: La radiación térmica
 Si
ahora aumentamos la temperatura
del objeto hasta 600 °C (la que
produce por lo común una estufa
eléctrica) notaremos que una tenue
luz roja empieza también a ser
emitida.
LUZ Y MATERIA: La radiación térmica
Aumentando la temperatura del objeto a
2.000°C (la del filamento interno de un
foco eléctrico) emitirá radiación visible de
color amarillo y si seguimos aumentando
continuamente la temperatura el color, que
observaremos será progresivamente, azul,
violeta, etc.
 Éste es un resultado fácil de comprobar.

Al aumentar la intensidad de la corriente que circula por el filamento de
la bombilla, su temperatura aumenta. Cuanto más elevada es, más
blanca nos parece la luz que emite.
Al aumentar la intensidad de la corriente que circula por el filamento de
la bombilla, su temperatura aumenta. Cuanto más elevada es, más
blanca nos parece la luz que emite.
Al aumentar la intensidad de la corriente que circula por el filamento de
la bombilla, su temperatura aumenta. Cuanto más elevada es, más
blanca nos parece la luz que emite.
LUZ Y MATERIA: La radiación térmica

La figura 1 muestra el espectro
electromagnético, indicando la región del
espectro que nos es visible, y la figura 2
muestra los resultados experimentales
observados al realizar un experimento
como el anteriormente descrito.
Figura 1.-Líneas de potencia.
LUZ Y MATERIA: La radiación térmica
En
esta figura aparece la
intensidad de radiación
emitida por longitud de
onda para varias
temperaturas.
Figura 2.-Longitud de onda
LUZ Y MATERIA: La radiación térmica
Podemos observar que, a medida que
aumenta la temperatura del cuerpo, el
punto máximo de intensidad se desplaza
hacia longitudes de onda cada vez
menores.
 Este hecho se conoce como la ley de
desplazamiento de Wien.

LUZ Y MATERIA: La radiación térmica
 Asimismo,
de la figura 2 podemos
notar que la energía total emitida
por un cuerpo caliente a una
temperatura T es proporcional al
área contenida bajo la curva a
esa temperatura.
LUZ Y MATERIA: La radiación térmica
Cuanto
más caliente
esté el cuerpo, más
energía en forma de
radiación emite.
LUZ Y MATERIA: La radiación térmica

Este resultado es la ley de StefanBoltzmann, que expresa que la energía
total irradiada por un cuerpo con una
temperatura T aumenta en forma
proporcional a la cuarta potencia de la
temperatura a que se encuentra.
E=es
4
T
LUZ Y MATERIA: La radiación térmica
 Uno
de los resultados más
sorprendentes de este problema
radica en que los resultados
experimentales representados en la
figura 2 no dependen de la naturaleza
o forma del cuerpo en cuestión.
LUZ Y MATERIA: La radiación térmica

Esto significa, por ejemplo, que si
tenemos dos trozos de forma arbitraria,
uno de platino y otro de acero, y los
calentamos, la gráfica de intensidad de
radiación emitida por longitud de onda
(como la de la figura 2) para varias
temperaturas tendrá las mismas
características generales en ambos casos.
LUZ Y MATERIA: La radiación térmica
El problema al que se enfrentaron los
científicos de fines del siglo XIX fue tratar
de explicar teóricamente los resultados
experimentales mostrados en la figura 2.
 Su problema era construir un modelo
teórico-matemático capaz de reproducir
las observaciones experimentales.

LUZ Y MATERIA: La radiación térmica
 Claro
está, inicialmente la
herramienta de que ellos se
valieron fue la física y la
matemática entonces conocidas
(¡no tenían otra alternativa!).
LUZ Y MATERIA: La radiación térmica
 En
particular, hicieron uso de la
física estadística que había sido
previamente desarrollada por
Ludwing Boltzmann, James
Clerk Maxwell, Josiah Willard
Gibbs y algunos otros.
LUZ Y MATERIA: La radiación térmica
 Un
científico que trabajó
intensamente en tratar de resolver el
problema de la radiación térmica
emitida por un cuerpo caliente fue
James Jeans, quien planteó el
problema esencialmente de la
siguiente manera:
LUZ Y MATERIA: La radiación térmica
Dado que las leyes de la física estadística nos
permiten determinar con precisión la distribución
de energía de las moléculas de un gas y puesto
que se quiere obtener la distribución de energía
emitida por longitud de onda por un cuerpo
caliente entonces sólo debemos aplicar los
mismos métodos estadísticos a ambos
problemas.
LUZ Y MATERIA: La radiación térmica
 Para
ver el problema central al
que se enfrentó Jeans realicemos
el siguiente “experimento mental”
(Gedankenexperiment es el
término original en alemán).
LUZ Y MATERIA: La radiación térmica
 Este
tipo de experimentos, como
su nombre lo indica, no son
realizados físicamente sino sólo
“mentales”, es decir, cuyos
resultados tendríamos si
realizáramos el experimento.
LUZ Y MATERIA: La radiación térmica
Consideremos dos cubos huecos
rectangulares de dimensión L por lado.
 En el primero introduciremos algunas
moléculas de gas y en el segundo
introduciremos radiación electromagnética
de cierta longitud de onda.

LUZ Y MATERIA: La radiación térmica
 Debemos
añadir que las paredes
internas de este último cubo están
hechas de un material capaz de
absorber (y por lo tanto de emitir)
radiación de cualquier longitud de
onda.
LUZ Y MATERIA: La radiación térmica
 Es
decir, la radiación
electromagnética contenida allí
será indefinidamente absorbida y
reemitida por las paredes del
cubo.
LUZ Y MATERIA: La radiación térmica
 Al
cabo de un cierto tiempo y debido
a la transferencia de energía cuando
las moléculas chocan unas contra
otras, la distribución de energía de
las moléculas contenidas en el primer
cubo estará dada por las leyes de la
física estadística.
LUZ Y MATERIA: La radiación térmica
La energía promedio e de cada molécula
será igual a la energía total disponible E,
dividida entre el número total de
moléculas N.
 Este resultado se conoce como la ley de
equipartición de energía, y es un resultado
básico de la física estadística.

LUZ Y MATERIA: La radiación térmica

Si nosotros observáramos el espectro de
radiación electromagnética contenido en
el segundo cubo, veríamos que —como
ya sabemos— es un espectro continuo
cuya forma exacta está determinada por la
temperatura a que se encuentran las
paredes del cubo.
LUZ Y MATERIA: La radiación térmica
 Así,
la energía de la radiación
electromagnética inicialmente
introducida en el cubo, debió
distribuirse en los varios modos
posibles de oscilación dentro de éste.
LUZ Y MATERIA: La radiación térmica


Por simplicidad supongamos ahora un “cubo”
unidimensional de longitud L.
Si la longitud de onda de la radiación
inicialmente introducida fue l = L vemos que los
modos posibles de oscilación dentro del "cubo"
son aquellos que tengan longitudes de onda l/2,
l/3, l/4, ..., etc., esto es, longitudes de onda
cada vez más cortas.
LUZ Y MATERIA: La radiación térmica

Como vemos, el número de tales modos
posibles de oscilación es infinito y, por lo
tanto, si aplicamos la ley de equipartición
de energía de la física estadística
obtendremos que la energía promedio por
modo de oscilación es nula, pues el
número de grados de libertad es infinito.
LUZ Y MATERIA: La radiación térmica

Aún más, su hubiéramos introducido, por
ejemplo, luz roja en el cubo, ésta se
hubiera convertido progresivamente en luz
azul, violeta, ultravioleta, rayos X, rayos
gamma, y así sucesivamente, sin límite
alguno.
LUZ Y MATERIA: La radiación térmica
 Por
lo tanto, al abrir el horno de la
cocina deberíamos morir
instantáneamente al ser
alcanzados por una mortífera
radiación de muy corta longitud
de onda.
LUZ Y MATERIA: La radiación térmica
 Este
hecho, conocido como la
"catástrofe ultravioleta", mostró la
incapacidad de la física del siglo XIX
—ahora llamada física clásica— para
resolver algunos problemas
importantes.
LUZ Y MATERIA: La radiación térmica
 Para
todo el mundo quedó entonces
claro que si se quería evitar la
catástrofe ultravioleta deberían
realizarse cambios radicales en los
modelos de la física clásica hasta
entonces aceptada.
LUZ Y MATERIA: Los cuanta de energía
El problema de la radiación térmica
también conocido como el problema del
"cuerpo negro", fue resuelto por Max
Planck en el año 1900.
 Así se inició una de las más importantes
ramas de lo que ahora llamamos física
moderna.

LUZ Y MATERIA: Los cuanta de energía

Planck halló la solución al postular que la
energía de una onda electromagnética (o
cualquier otro sistema oscilante) puede
existir en forma de paquetes llamados
cuanta.
LUZ Y MATERIA: Los cuanta de energía

La energía E de cada cuanta es
directamente proporcional a la frecuencia
de oscilación.
LUZ Y MATERIA: Los cuanta de energía

Esto es
E = hn
donde h es una constante universal, hoy
conocida como constante de Planck y que
vale
h = 6,6256 × 10-34 julios-segundo.
LUZ Y MATERIA: Los cuanta de energía

Con esta suposición y haciendo uso de la
física estadística se puede ahora calcular
la distribución de energía emitida por
longitud de onda por un cuerpo a la
temperatura T.
LUZ Y MATERIA: Los cuanta de energía
 El
resultado es una expresión
matemática que concuerda
maravillosamente con los resultados
experimentales mostrados en la
figura 2.
 ¡El problema del cuerpo negro estaba
así resuelto!
LUZ Y MATERIA: Los cuanta de energía
 Aunque
Planck tuvo la
necesidad de postular la
cuantificación de la energía, él
no creía realmente en la
existencia física de tales
paquetes energéticos.
LUZ Y MATERIA: Los cuanta de energía
 Sin
embargo la evidencia
experimental mostró, en efecto,
que un sistema físico no puede
intercambiar cantidades
arbitrarias de energía sino sólo
cantidades cuantizadas.
LUZ Y MATERIA: Los cuanta de energía
Asimismo,
dicha evidencia
experimental mostró que los
cuanta se comportan como
partículas.
LUZ Y MATERIA: Los cuanta de energía
 Es
decir, los cuanta no eran
sólo un recurso matemático
que permitió resolver un
problema, sino entes físicos
reales.
LUZ Y MATERIA: Los cuanta de energía
 Dos
importantes experimentos que
apoyaron decididamente esta idea
fueron el efecto fotoeléctrico y el
efecto Compton; el primero fue
explicado por Albert Einstein en 1905
y el segundo por Arthur H. Compton
en 1923.
LUZ Y MATERIA: Átomos y transiciones electrónicas
El
primer modelo
“moderno” del átomo fue
proporcionado por
Ernest Rutherford.
LUZ Y MATERIA: Átomos y transiciones electrónicas

Este modelo estaba basado en sus
resultados experimentales que mostraban
concluyentemente que el átomo está
formado por un núcleo muy masivo con
carga positiva, alrededor del cual giraban
los electrones, con carga negativa,
formando un sistema similar a un pequeño
sistema planetario.
LUZ Y MATERIA: Átomos y transiciones electrónicas

El problema fundamental de este modelo
estaba en que, de acuerdo con la teoría
electromagnética clásica, una partícula
cargada como un electrón, girando en una
órbita, debería radiar ondas
electromagnéticas y perder así
rápidamente toda su energía.
LUZ Y MATERIA: Átomos y transiciones electrónicas

Es decir, un átomo sería un sistema
inestable en el cual sus electrones se
colapsarían siguiendo órbitas espirales
hacia el núcleo atómico y emitiendo en el
proceso un breve destello de radiación
electromagnética de una cienmillonésima
de segundo.
LUZ Y MATERIA: Átomos y transiciones electrónicas
El universo, tal como lo conocemos, no
podría existir.
 Nuevamente, como en el problema de la
radiación térmica, la física clásica era
incapaz de proporcionar una respuesta
congruente con la observación
experimental.

LUZ Y MATERIA: Átomos y transiciones electrónicas

Quien solucionó en 1913 esta paradójica
situación fue el físico Niels Bohr al proponer un
modelo atómico en el cual los electrones
únicamente pueden encontrarse en un número
discreto de órbitas alrededor del núcleo; para
que un electrón pase de una órbita a otra debe
emitir (o absorber, según el caso) un cuanto de
energía.
LUZ Y MATERIA: Átomos y transiciones electrónicas
 Así,
Bohr sintetizó con su
modelo los resultados
experimentales de Rutherford
y las proposiciones teóricas de
Planck.
LUZ Y MATERIA: Átomos y transiciones electrónicas
 La
figura 3 muestra la estructura de
un átomo de acuerdo con la teoría de
Bohr.
 En este ejemplo tenemos que un
electrón puede encontrarse
solamente en una de las cinco órbitas
mostradas.
LUZ Y MATERIA: Átomos y transiciones electrónicas
LUZ Y MATERIA: Átomos y transiciones electrónicas
 Para
que el electrón pase de la
primera a la segunda órbita necesita
recibir un cuanto con energía
exactamente igual a la diferencia de
energía entre la primera y la segunda
órbita.
LUZ Y MATERIA: Átomos y transiciones electrónicas
 Igualmente,
el paso de un
electrón de una órbita superior a
otra inferior sólo será posible si
éste emite un cuanto con energía
igual a la diferencia de energía
entre dichas órbitas.
LUZ Y MATERIA: Átomos y transiciones electrónicas
 Nótese
que si el electrón se
encuentra en la primera órbita no
podrá emitir ningún cuanto de
energía puesto que ya no hay órbitas
de menor energía a las cuales pueda
descender.
LUZ Y MATERIA: Átomos y transiciones electrónicas

Por otra parte, también debe observarse
que a partir de la última órbita (en el caso
de la figura, la 5ª órbita), si el electrón
recibe otro cuanto de energía éste pasará
a ser un "electrón libre" y se separará del
átomo, pues ya no hay más órbitas
superiores a las cuales pasar.
LUZ Y MATERIA: Átomos y transiciones electrónicas
 Entonces
decimos que el átomo
está ionizado, esto es, se ha
convertido en un átomo que ha
perdido uno o varios de sus
electrones.
LUZ Y MATERIA: Átomos y transiciones electrónicas
 El
modelo de Bohr explicó los
espectros de emisión de átomos
simples como el hidrógeno y el helio,
y proporcionó las bases para
comprender el espectro de átomos
más complejos.
LUZ Y MATERIA: Átomos y transiciones electrónicas
 Claro
está, la física atómica no se
detuvo allí; pronto este modelo fue
incapaz de explicar nuevas
observaciones experimentales y
como consecuencia tuvo que ser
mejorado.
LUZ Y MATERIA: Átomos y transiciones electrónicas
 No
obstante, las ideas esencial
es del modelo atómico de Bohr
que hemos expuesto son
suficientes para comprender lo
que veremos a continuación.
LUZ Y MATERIA: Interacción átomo-cuanto

Ahora enunciaremos los procesos básicos
de interacción entre la materia y la
radiación electromagnética que en su más
pequeña escala se reducen a los
procesos de interacción entre átomos y
cuantos de energía de radiación
electromagnética.
LUZ Y MATERIA: Interacción átomo-cuanto

Supondremos un sistema atómico
elemental con dos niveles de energía E1 y
E2 en el cual el primer nivel corresponde a
un electrón en su órbita inferior y el
segundo nivel corresponde a un electrón
en su órbita superior.
LUZ Y MATERIA: Interacción átomo-cuanto
 En
el primer caso diremos que
el átomo se encuentra en su
estado base y en el segundo
caso en su estado excitado.
LUZ Y MATERIA: Interacción átomo-cuanto

Este sistema atómico sólo podrá
interaccionar con cuantos que tengan una
energía E igual a la diferencia de energía
E = E2 - E1
LUZ Y MATERIA: Interacción átomo-cuanto

Por lo tanto, la frecuencia v asociada a
dichos cuantos de energía es
n 
E 2  E1
h
LUZ Y MATERIA: Interacción átomo-cuanto
 En
tal caso diremos que la
interacción átomo-cuanto es un
proceso resonante.
 Aquí sólo consideraremos
interacciones resonantes.
LUZ Y MATERIA: Interacción átomo-cuanto
 Por
brevedad, de ahora en adelante
llamaremos fotón a un "cuanto de
radiación electromagnética".
 El término fotón fue introducido por
Einstein al estudiar el efecto
fotoeléctrico.
LUZ Y MATERIA: Interacción átomo-cuanto
 El
primer proceso de interacción
átomo-fotón que veremos es el
proceso de absorción, que se
muestra esquemáticamente en la
figura 4.
LUZ Y MATERIA: Interacción átomo-cuanto
Absorción
LUZ Y MATERIA: Interacción átomo-cuanto
Consiste en la interacción entre un fotón y
un átomo que inicialmente se encuentra
en su estado base.
 El resultado de esta interacción es que el
átomo "absorbe" al fotón y usa su energía
para pasar a su estado excitado.

LUZ Y MATERIA: Interacción átomo-cuanto
 El
siguiente proceso importante
de interacción átomo- fotón es el
proceso de emisión espontánea,
el cual se muestra
esquemáticamente en la figura 5.
LUZ Y MATERIA: Interacción átomo-cuanto
LUZ Y MATERIA: Interacción átomo-cuanto


Ahora tenemos un átomo ya excitado
inicialmente, que en forma espontánea (y
generalmente en un tiempo breve, del orden de
10-8 segundos) pasa a su estado base emitiendo
en el proceso un fotón con energía igual a la
diferencia de energía entre los dos estados.
El fotón se emite en una dirección totalmente
aleatoria.
LUZ Y MATERIA: Interacción átomo-cuanto
Finalmente, el otro proceso importante de
interacción átomo-fotón es el proceso de
emisión estimulada. Su existencia fue
propuesta por Albert Einstein en 1917 y
es el proceso fundamental gracias al cual
existe el láser.
 La figura 6 muestra esquemáticamente tal
proceso.

LUZ Y MATERIA: Interacción átomo-cuanto
LUZ Y MATERIA: Interacción átomo-cuanto

En él tenemos la interacción entre un
fotón y un átomo que inicialmente se
encuentra en su estado excitado.
LUZ Y MATERIA: Interacción átomo-cuanto
Como resultado de esta interacción el
átomo pasa a su estado base emitiendo
en el proceso un fotón que tiene las
mismas características de dirección y de
fase que el fotón inicial.
 Por lo tanto, decimos que la radiación
electromagnética que resulta es
coherente.

LUZ Y MATERIA: Interacción átomo-cuanto
 Podemos
realmente afirmar
que el germen que dio origen
al desarrollo del láser nació
cuando fue propuesto este
fenómeno de "emisión
estimulada“.
LUZ Y MATERIA: Interacción átomo-cuanto

De hecho, la palabra láser es el acrónimo
de la expresión en inglés Light
Amplification by Stimulated Emission
of Radiation, que en español podemos
traducir como “amplificación de la luz
por emisión estimulada de radiación”.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS
 En
raras ocasiones nos
hallaremos en una situación en la
que debamos considerar la
interacción de un solo átomo con
un solo fotón.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS
En
vez de esto tendremos
la interacción de un gran
número de fotones con una
enorme cantidad de
átomos.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS

Debemos por tanto discutir esta última
situación y obtener resultados que nos
permitan saber cuál será el resultado neto
de la interacción entre grandes cantidades
de átomos con fotones para
posteriormente comprender qué es un
amplificador y un oscilador láser.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz
 En
esta sección discutiremos
cómo podemos describir la
interacción de grandes
cantidades de fotones con
átomos.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz
 Consideremos
un flujo S de
fotones propagándose a lo largo
de una cavidad cilíndrica de
longitud L, tal como se muestra
en la figura.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz

Supondremos que dicha cavidad tiene N
átomos por unidad de volumen de los
cuales una cantidad N2 son átomos que
se encuentran en su estado excitado y N1
en su estado base, que se representan
como puntos blancos o negros,
respectivamente, en la figura.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz

Esto es, el número total de átomos por
unidad de volumen N está dado por la
suma de los que se encuentran en el
estado excitado N2 y aquellos que están
en su estado base N1:
N = N1 + N2
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz
 Al
propagarse el flujo S de
fotones a través de la cavidad y
entrar en interacción con átomos
que estén excitados, ocurrirá el
proceso de emisión estimulada.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz
 Como
hemos visto en el capítulo
anterior, este proceso traerá
como consecuencia la
amplificación del flujo inicial de
fotones S.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz

Esto debido a que, como ya sabemos, cada
fotón del flujo incidente que interactúe con un
átomo inicialmente excitado puede dar lugar
por medio del proceso de emisión estimulada
a la emisión de un segundo fotón,
conjuntamente con la transición del átomo
del estado excitado al estado base o no
excitado.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz

Sin embargo, debido a que en dicha
cavidad también hay átomos que se
encuentran en su estado base, al
interactuar el flujo S de fotones con dichos
átomos tendrá lugar el proceso de
absorción de fotones, y con esto
disminuye el flujo inicial S de fotones.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz
 Ello
se debe a que cada fotón
que interactúe con un átomo
inicialmente en su estado base
será absorbido por dicho átomo y
éste pasará a un estado excitado.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz

Si por un momento consideramos
solamente el proceso de emisión
estimulada, vemos que la amplificación de
un flujo incidente, que designaremos por
Si, después de propagarse a lo largo de
una distancia arbitraria DZ a lo largo de un
eje Z (véase la figura) será mayor si la
cantidad de átomos excitados N2 crece.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz
Es
decir, mientras mayor
sea N2, mayor será el
incremento en el flujo inicial
de fotones.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz
 Claro
está que mientras mayores
sean las distancias recorridas
(DZ) por el flujo inicial de fotones,
también aumentará la
amplificación que el mismo
sufrirá.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz
 Por
tanto, si aumentamos
cualquiera de las cantidades
DZ, N2 o Si, el incremento en
el flujo inicial de fotones
también aumentará.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz

De forma similar, si ahora consideramos
únicamente el proceso de absorción,
vemos que la absorción del flujo incidente
Si después de propagarse a lo largo del
eje Z una distancia arbitraria DZ (véase la
figura 3) será mayor cuanto más grande
sea la cantidad de átomos que se
encuentran en su estado base.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz
Cuando
crece N1,
mayor será el
decremento en el flujo
inicial de fotones.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz

Esto es, por un razonamiento análogo al
anterior tenemos que el decremento en el
flujo inicial de fotones será mayor cuando
crezca la longitud DZ en que se propaga
dicho flujo, la cantidad de átomos en su
estado base N1 y la cantidad inicial de
fotones Si.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz
 Aumentando
cualquiera de las
cantidades DZ, N1 o Si, el
decremento en el flujo inicial
de fotones también
aumentará.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz
 Sin
embargo, en la realidad
debemos considerar
simultáneamente los dos
procesos anteriores de emisión
estimulada y de absorción.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz

Dado que el primer proceso tiende a amplificar
el flujo incidente dependiendo de la cantidad de
átomos que se encuentran en el nivel superior
N2, mientras que el segundo proceso tiende a
disminuir el flujo incidente dependiendo de la
cantidad de átomos que se encuentran en el
nivel base N1, al considerar simultáneamente los
dos procesos el resultado final dependerá de la
cantidad de átomos que se encuentran en el
estado excitado y en el base.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz
 Si
estas cantidades son iguales,
tendremos entonces que en promedio
la amplificación y la absorción que
sufre el pulso inicial son iguales, y por
tanto el flujo final no será ni mayor ni
menor que el flujo de fotones
inicialmente incidente.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz

Esto es, si
N2 = N1
entonces el cambio neto del flujo de
fotones por unidad de longitud es cero, es
decir, la cantidad de fotones que sale de la
cavidad cilíndrica mostrada en la figura 1
es la misma que la que entró.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz
 Por
otra parte, si el número de
átomos excitados N2 que hay en la
cavidad es menor que el número de
átomos en su estado base N1, el
resultado promedio total será de una
reducción del flujo inicial de fotones.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz

Esto es, si
N2 < N1
el flujo inicial de fotones será absorbido
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz
 Ello
implica que disminuye el
flujo inicial de fotones Si a lo
largo de su propagación por la
cavidad cilíndrica mostrada en
la figura 1.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz
Esto
es, el flujo de fotones
es absorbido por el medio,
lo cual se muestra en la
figura 3.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz
 Finalmente,
si el número de átomos
excitados N2 que hay en la cavidad
es mayor que el número de átomos
en estado base N1, el resultado
promedio total será de un incremento
al flujo inicial de fotones.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz

Entonces, si
N 2 > N1
el flujo inicial de fotones será amplificado
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz
Entonces
el flujo de fotones
Si se incrementa a lo largo
de su propagación por la
cavidad cilíndrica mostrada
en la figura 1.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Absorción y amplificación de luz
Esto
es, el flujo de
electrones es amplificado
por el medio, como se
muestra en la figura 3.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Amplificadores ópticos
 Contamos
ahora con las ideas
básicas necesarias para la
comprensión del funcionamiento
de un amplificador óptico,
también conocido como
amplificador láser.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Amplificadores ópticos
 Este
es un sistema tal que al
introducirle un flujo inicial de
fotones Si nos proporciona en su
salida un flujo final de fotones Sf
mayor que el flujo inicial Si.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Amplificadores ópticos
 Dichos
amplificadores ópticos
generalmente consisten en un
cilindro por un extremo del cual
entra un flujo inicial de fotones Si
y por el otro sale el flujo final de
fotones amplificado Sf.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Amplificadores ópticos

La condición necesaria para tener
amplificación del flujo inicial de fotones Si
es que el número de átomos excitados N2
que se encuentra en la cavidad
amplificadora sea mayor que el número de
átomos que se encuentra en su estado
base N1.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Amplificadores ópticos
 La
condición anterior se conoce como
condición de inversión de población y
el problema central para la
realización práctica de un
amplificador óptico está en cómo
lograr dicha inversión de población.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Amplificadores ópticos

Es decir, el problema es conseguir que la
mayoría de los átomos que se encuentran
en la cavidad amplificadora pasen de su
estado base, que es el estado normal en
que cualquier átomo se encuentra cuando
no es perturbado, a un estado excitado.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Amplificadores ópticos
 Para
lograr dicha inversión de
población es necesario algún
dispositivo que proporcione la
energía que los átomos de la cavidad
amplificadora requieren para pasar
de su estado base a un estado
excitado.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Amplificadores ópticos
 Este
dispositivo recibe el
nombre de "sistema de
bombeo" y puede ser de
varios tipos, aunque los más
usuales son de tipo óptico o
de tipo eléctrico.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Amplificadores ópticos
 En
el caso de un sistema de
bombeo de tipo óptico lo que
tenemos es la cavidad
amplificadora circundada por una
o varias lámparas luminosas de
destello flash muy potentes.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Amplificadores ópticos
Al ser disparadas dichas lámparas, los
fotones que éstas emiten son absorbidos
por los átomos de la cavidad
amplificadora, los cuales pasan de su
estado base a un estado excitado.
 Con esto se logra la inversión de
población.

AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Amplificadores ópticos
 La
figura siguiente muestra la
sección transversal de dos
disposiciones posibles para la
colocación de las lámparas flash
en un amplificador bombeado
ópticamente.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Amplificadores ópticos
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Amplificadores ópticos
 En
un sistema de bombeo de tipo
eléctrico se produce una intensa
descarga eléctrica a través de los
átomos que se encuentran en la
cavidad amplificadora.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Amplificadores ópticos
De este modo los energéticos electrones
de la descarga transfieren por colisiones
electrón-átomo parte de su energía a los
átomos contenidos en la cavidad,
logrando que éstos pasen de su estado
base a un estado excitado.
 Así se da la inversión de población.

AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Amplificadores ópticos
 La
figura siguiente muestra la
sección transversal de un
amplificador óptico bombeado
eléctricamente, usando un
cañón de electrones.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Amplificadores ópticos
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Amplificadores ópticos
 Para
amplificar un pulso de luz
usando un amplificador óptico
dotado de un sistema de bombeo
óptico o eléctrico, se sincroniza el
paso del pulso de luz con el
disparo del sistema de bombeo.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Amplificadores ópticos
 Es
importante que estos dos
“eventos” estén perfectamente
sincronizados, pues si el sistema de
bombeo es disparado antes o
después de que llegue el pulso de luz
al amplificador, dicho pulso no será
amplificado.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Amplificadores ópticos
 La
figura siguiente muestra la
simulación por ordenador de la
amplificación de un pulso de luz que
pasa a través de un amplificador
óptico.

Pueden observarse el pulso inicial y el
pulso final amplificado.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Amplificadores ópticos
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Oscilador óptico
 Después
de exponer el principio
básico de operación de un
amplificador óptico, podemos
fácilmente comprender el principio de
funcionamiento de un oscilador
óptico, también conocido como
oscilador láser, o simplemente
láser.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Oscilador óptico

Consideremos una cavidad amplificadora
con un sistema de bombeo, en la que
hemos colocado en sus extremos un par
de espejos planos (o ligeramente
cóncavos) tal como se muestra en la
figura, donde la línea punteada indica el
eje óptico del sistema.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Oscilador óptico
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Oscilador óptico
 Este
par de espejos paralelos
recibe el nombre de resonador
óptico.
 Uno
de los espejos del resonador es
casi 100% reflejante, y el otro tiene
una reflectancia típica de alrededor
del 90%.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Oscilador óptico
 Para
comprender qué función tiene el
resonador óptico nos referiremos a la
figura siguiente, que muestra al
oscilador óptico inmediatamente
después de que el sistema de
bombeo haya sido disparado.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Oscilador óptico
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Oscilador óptico

Podemos ver que cualquier fotón que sea
emitido en una dirección diferente de la definida
por el eje óptico del resonador óptico se
perderá, mientras que cualquier fotón emitido a
lo largo del eje óptico del oscilador será
amplificado por el proceso de emisión
estimulada e inmediatamente generaremos un
enorme flujo de fotones confinados por el
resonador óptico, que se propaga a lo largo del
eje óptico.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Oscilador óptico

Si el resonador óptico no estuviera allí,
después de disparar el sistema de
bombeo los átomos que fueron excitados
pasarían a su estado base debido al
proceso de emisión espontánea,
emitiendo fotones en todas direcciones y
perdiendo la energía recibida por el
sistema de bombeo.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Oscilador óptico
 La
presencia del resonador óptico
nos permite extraer en forma eficiente
la energía que el sistema de bombeo
ha depositado en los átomos
contenidos en la cavidad
amplificadora.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Oscilador óptico

Debido a que uno de los espejos del resonador
tiene una reflectancia del 90%, esto permitirá
que el 10% de los fotones que incidan allí sean
transmitidos fuera del resonador óptico,
formando un haz de luz:
 Muy
intenso,
 Monocromático (formado por fotones de idéntica
energía),
 Coherente (pues todos sus fotones están en fase, ya
que fueron producidos por el proceso de emisión
estimulada) y
 Altamente direccional.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Oscilador óptico
Estas
son las propiedades
fundamentales de la luz
láser que es generada por
todo oscilador óptico.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Conmutación de Q
Hay
osciladores ópticos o
láseres que operan en
forma pulsada y otros que
lo hacen en forma continua.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Conmutación de Q
 En
general, el tiempo que dura un
pulso de luz láser producido por
un láser pulsado depende de la
duración del pulso óptico o
eléctrico que produce el sistema
de bombeo.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Conmutación de Q
 Para
muchas aplicaciones
prácticas la duración de tales
pulsos láser es bastante
grande y la intensidad del
pulso es demasiado pequeña.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Conmutación de Q
 Por
lo tanto, se han diseñado varias
técnicas que permiten obtener pulsos
láser de duración muy corta y de muy
alta intensidad, características que
son necesarias casi para toda
aplicación de un láser pulsado.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Conmutación de Q
 En
esta sección veremos el principio
de una de las más importantes
técnicas para obtener pulsos cortos e
intensos.
 Esta técnica es conocida como
"conmutación de Q" (Q-Switching es
el término original en inglés).
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Conmutación de Q
 En
el estudio de los sistemas
oscilantes se ha definido una
cantidad llamada "factor de
calidad", que se representa
generalmente por la letra Q.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Conmutación de Q
 Esta
cantidad se define como el
cociente de la energía E
almacenada por el sistema
oscilante dividido entre la rapidez
con que dicha energía es perdida
por el sistema.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Conmutación de Q
Como
sabemos, la
rapidez con que un
sistema pierde energía
se denomina potencia P.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Conmutación de Q
 La
expresión matemática para
el factor de calidad es
donde n, es la frecuencia del oscilador y
p = 3,1416.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Conmutación de Q
Podemos
ver que el factor
de calidad Q nos permite
caracterizar las pérdidas de
un sistema oscilante.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Conmutación de Q
 Un
oscilador con bajas pérdidas
se caracteriza por tener un alto
valor de Q mientras que un
oscilador con altas pérdidas se
caracteriza por tener un bajo
valor de Q.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Conmutación de Q
La
figura siguiente muestra
un oscilador óptico con altas
pérdidas, es decir, con un
bajo valor de Q.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Conmutación de Q
 Las
pérdidas en este caso son
producidas al introducir un "objeto
extraño" en el interior del
resonador óptico que impide que
el sistema entre en oscilación.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Conmutación de Q
 Por
otra parte, la figura siguiente
muestra un oscilador óptico con bajas
pérdidas y por tanto con un alto valor
de Q.
 En este último caso no hay nada que
impida la oscilación óptica del
sistema.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Conmutación de Q
Es posible construir un oscilador óptico
que contenga en el interior de su
resonador un interruptor óptico que nos
permita variar a voluntad el valor Q de la
cavidad.
 Esto se muestra en la figura siguiente.

AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Conmutación de Q
Si el interruptor está encendido puede
pasar a través de él un flujo de fotones;
esto nos da un alto valor de Q.
 Por otro lado, si el interruptor está
apagado el flujo de fotones no puede
atravesarlo; tenemos entonces un bajo
valor de Q.

AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Conmutación de Q
 Podemos
ahora preguntarnos lo
siguiente: ¿qué ocurre en los átomos
contenidos en la cavidad
amplificadora cuando se tiene el
interruptor óptico apagado (o sea, un
bajo valor de Q) y simultáneamente
se dispara el sistema de bombeo?
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Conmutación de Q
 En
este caso, dado que el sistema no
puede entrar en oscilación y por lo
tanto no puede perder radiación láser
hacia el exterior, toda la aportada por
el sistema de bombeo será asimilada
por los átomos contenidos en la
cavidad amplificadora.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Conmutación de Q
Así, casi todos los átomos pasarán a su
estado excitado y muy pocos
permanecerán en su estado base.
 Por tanto, la cantidad N2 - N1 alcanzará un
valor muy grande.
 A esta última cantidad se le conoce como
“nivel de inversión de población” o
simplemente “inversión de población”.

AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Conmutación de Q

Si en este momento, en que tenemos un
valor muy alto de inversión de población,
repentinamente encendemos el interruptor
óptico (obteniéndose así un alto valor de
Q) el sistema entrará violentamente en
oscilación y muy pronto se generará un
corto e intenso pulso de luz láser.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Conmutación de Q

Esto se muestra
en la figura.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Conmutación de Q
 Podemos
ver el bajo valor inicial
de Q; el disparo del sistema de
bombeo se inicia produciendo un
incrementó en el valor del nivel
de inversión de población N2 - N1.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Conmutación de Q
 En
el instante ti en que accionamos
el interruptor óptico y tenemos un alto
valor de Q, el nivel de inversión de
población decrece rápidamente,
produciéndose un corto e intenso
pulso de luz láser.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Conmutación de Q

Los valores típicos de duración y potencia
de pulsos láser generados mediante esta
técnica son del orden de 10 a 100 × 10-9
segundos de duración y de
1 × 106 a 1 × 108 vatios
de potencia.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Un poco de historia
Los conceptos básicos que dieron origen
al láser se remontan al siglo XIX, con el
nacimiento de la física cuántica.
 La física cuántica, relativista y clásica
forman los pilares básicos en que se
sustenta la física moderna.

AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Un poco de historia
 Como
se ha dicho, la física
cuántica surgió gracias a la
incapacidad de la física de la
época, ahora conocida como
física clásica, para explicar
algunos fenómenos observados.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Un poco de historia
 El
concepto básico de la física
cuántica es, como vimos, el
del “cuanto” de energía,
introducido por Max Planck en
1900.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Un poco de historia
 A partir
de allí se inicia un
vertiginoso desarrollo de la Física
Cuántica y en 1917 Albert
Einstein introduce el concepto de
emisión estimulada, idea básica
en la cual se sustenta el láser.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Un poco de historia

Los primeros esfuerzos encaminados a
construir dispositivos prácticos que hacían
uso del concepto de emisión estimulada se
dieron en 1954, cuando, de manera
simultánea pero independiente, Nikolay
Basov y Alexander Prokhorov del Instituto
Lebedev de Moscú, y Charles Townes de la
Universidad de Columbia, en Estados Unidos
de América, construyeron un amplificador de
microondas llamado MÁSER
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Un poco de historia


El funcionamiento del MÁSER (acrónimo de
Microwave Amplification by Stimulated Emission
of Radiation) es básicamente el descrito en este
apartado (cuando los fotones de la radiación
amplificada caen en el rango de las
microondas).
La contribución de estos tres científicos fue
internacionalmente reconocida cuando en 1964
se les otorgó el premio Nobel de Física.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Un poco de historia
 Inmediatamente
después de la
construcción de los primeros
MÁSER, varios científicos
intentaron poner dicho aparato en
operación a longitudes de onda
cada vez menores.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Un poco de historia
 Pronto
se dieron cuenta de que
las condiciones físicas de
operación para producir la
emisión estimulada en la región
de luz visible eran muy diferentes
de las requeridas en un MASER.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Un poco de historia
 Nuevamente
en forma simultánea
pero independiente, en la Unión
Soviética Alexander Prokhorov y en
Estados Unidos Charles Townes y
Arthur Schawlow —este último
investigador de los Laboratorios
Bell—, justificaron teóricamente la
idea del LÁSER.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Un poco de historia
A partir
de ese
momento se inició una
carrera por construir el
primer láser.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Un poco de historia

Schawlow, como muchos otros
investigadores, pensó que el mejor medio
activo que se podría utilizar sería un gas,
mientras que Theodore Mainman,
entonces joven investigador de los
Laboratorios Hughes en Malibú, California,
prefirió trabajar utilizando como medio
activo cristales sintéticos de rubí.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Un poco de historia

En 1960, Mainman mostró orgullosamente
al mundo el primer láser en operación;
posteriormente, aunque también en 1960,
el investigador de los Laboratorios Bell ,
Ali Javan, puso a funcionar el primer láser
de gas en el mundo, utilizando una mezcla
de helio y neón.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Un poco de historia

Resulta interesante recordar que cuando
Mainman intentó publicar sus resultados
sobre el láser de rubí en la prestigiada
revista científica Physical Review Letters,
su artículo fue rechazado, pues de
acuerdo a los editores de la revista se
trataba “sólo de un láser más”.
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Un poco de historia
Desde entonces la carrera por desarrollar
nuevos láseres y estudiar nuevas
aplicaciones para éstos ha continuado sin
cesar, debido a que la curiosidad por
entender y utilizar lo que nos rodea es
propia de todo ser humano.
 Lo más probable es que dicha carrera
nunca se detenga.

AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS:
Un poco de historia
 La
breve "reseña histórica"
incluida cuadro final del tema
muestra cronológicamente
algunas de las más importantes
contribuciones realizadas en esta
carrera.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS

Presentaremos ahora el
detalle de operación de
algunos de los más
importantes sistemas
láser.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS

Aunque en los dos apartados
anteriores se ha supuesto que en
la cavidad amplificadora tenemos
átomos en los cuales ocurren los
procesos de absorción y emisión,
esto no es esencial.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS

Los procesos anteriores pueden
también ocurrir en otro tipo de
sistemas microscópicos, como por
ejemplo las moléculas, los iones
atómicos o incluso los electrones
libres.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS

En general, cualquier sistema
microscópico en el cual los
procesos de absorción y emisión
puedan ocurrir será llamado centro
activo y el medio macroscópico que
éstos forman se llama medio
activo.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS

Este último puede ser por
ejemplo una mezcla
gaseosa, un cristal, un
semiconductor y varios
otros.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS

A pesar de las grandes diferencias que
existen en la extensa variedad de
láseres actuales, se puede lograr una
clasificación general de éstos tomando
como parámetro el tipo de medio activo
y el tipo de sistema de bombeo que
utilizan.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS

El cuadro muestra la
agrupación bajo este
criterio de los láseres más
comunes.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS

De esta forma se distingue un láser de
rubí de un láser molecular de dióxido de
carbono, porque en el primero el medio
activo es un cristal sólido que es
bombeado ópticamente, mientras que
en el segundo el medio activo es una
mezcla gaseosa bombeada por una
descarga eléctrica.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS
La presentación de cada láser aquí tratado abarca:
a) La esquematización de los niveles de energía de los
centros activos en los cuales tiene lugar la emisión
láser,
b) La explicación del efecto que el bombeo particular tiene
sobre el medio activo,
c) Un resumen de las dificultades que presenta el
funcionamiento del láser, y
d) La forma en que éstas son solucionadas en la práctica.
Finalmente, se incluye una sección donde se mencionan
algunas de las aplicaciones más importantes actuales o
potenciales para cada tipo de láser.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí


Históricamente el láser de rubí fue el
primero que funcionó en el mundo.
Fue construido por Theodore Maiman
en 1960, quien usó como medio activo
un cristal de rubí sintético.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí

El rubí es una piedra preciosa formada
por cristales de óxido de aluminio
Al2O3, que contiene una pequeña
concentración de alrededor de 0,05%
de impurezas de óxido de cromo Cr2O3
(el óxido de aluminio puro, Al2O3, se
llama zafiro).
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí

La presencia del óxido de cromo
hace que el transparente cristal
puro de óxido de aluminio se torne
rosado y llegue a ser hasta rojizo si
la concentración de óxido de cromo
aumenta.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí

La forma geométrica típica que
adopta el rubí usado en un
láser es la de unas barras
cilíndricas de 1 a 15 mm de
radio y algunos centímetros de
largo.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Carácterísticas espectrales


Los centros activos en el rubí son los
iones de cromo, Cr3+, que se presentan
como impurezas en el cristal de Al2O3.
Los niveles energéticos del ion Cr3+,
fundamentales para el funcionamiento
del láser de rubí, se muestran en la
figura.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Funcionamiento
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Carácterísticas espectrales


Puede notarse la presencia de dos
bandas de absorción cuya notación
espectroscópica es 4F1 y 4F2.
Estas bandas pueden absorber muy
eficientemente fotones de longitud de
onda de 0,42 mm y 0,55 mm (la relación
entre la longitud de onda l y la frecuencia
n es l = c/n, donde c es la velocidad de la
luz; c = 3× 1010 cm/seg).
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Carácterísticas espectrales



La vida media de los iones excitados en estas dos
bandas es muy breve, del orden de nanosegundos
(1 ns = 1 × 10-9 s).
Transcurrido este tiempo, dichos iones decaen de
manera espontánea a un nivel energéticamente inferior
cuya notación espectroscópica es 2E.
Este último nivel tiene una vida media bastante larga
(del orden de milisegundos; 1 ms = 1 × 10-3 s) y debido
a esto se conoce como nivel "metaestable".
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Carácterísticas espectrales

Este último nivel, de hecho, está formado
por dos subniveles cuya notación
espectroscópica es:
2A y E
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Carácterísticas espectrales

Cuando un ion de cromo sufre una
transición de los subniveles 2Ā o Ē
y al nivel base denotado por 4A2,
se emiten fotones con longitudes
de onda de 0,6929 mm y 0,6943
mm.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Funcionamiento

Si un ion de cromo se
encuentra en cualquiera de
los estados 4F2 o 4F1
experimenta una transición
rápida hacia los subniveles
2Ā o Ē.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Funcionamiento

Si lo hace hacia el subnivel 2Ā
podrá pasar al estado base 4A2
emitiendo un fotón a 0,6228 mm,
mientras que si lo hace hacia el
subnivel Ē pasará al estado base
4A emitiendo un fotón a 0,6943 mm
2
de longitud de onda.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Funcionamiento

Dado que, por razones
estadísticas, es más probable
encontrar al ion de cromo en el
estado que en el estado Ē que en
el estado 2Ā, el láser de rubí
funciona usualmente a 0,6943 mm.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Funcionamiento

Para el estudio teórico de
estos láseres es habitual
considerar solamente tres
niveles energéticos.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Funcionamiento

En este caso el estado base 4A2 es
interpretado como el primer nivel
denotado por 1>, los niveles 4F2 y 4F1
como un solo tercer nivel denotado por
3> y los subniveles y Ē y 2Ā como un
único segundo nivel energético
denotado por 2>.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Funcionamiento

La excitación del rubí se realiza
mediante la energía óptica
proporcionada por lámparas flash
conectadas a un banco de
capacitores.

Esto se muestra en la figura.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Funcionamiento

Una de las grandes desventajas de
los láseres bombeados
ópticamente (incluido, claro está, el
láser de rubí), es su baja eficiencia,
que por lo general es menor del
0,1%.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Funcionamiento


Otro inconveniente del láser de rubí consiste
en la dificultad del crecimiento de los cristales
sintéticos de rubí.
Ello ha ocasionado que en la actualidad se
prefiera como medio activo el uso de vidrios
de fácil fabricación (como por ejemplo, vidrios
con impurezas de neodimio) y no de cristales
como el rubí.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Algunas aplicaciones

Este láser ha sido
utilizado con éxito en
aplicaciones industriales,
militares, médicas y
científicas.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Algunas aplicaciones

No obstante, hay que mencionar que
debido a lo costoso y complicado de
fabricación de las barras sintéticas de
rubí, desde hace algunos años este tipo
de láser ha sido desplazado por láseres
similares en concepción y diseño que
utilizan como centros activos iones de
neodimio.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Algunas aplicaciones
La diferencia básica entre
ambos láseres está en la
longitud de onda de emisión:
 En el de rubí es 0,6943 mm
 En el de neodimio de 1,064 mm.

SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Algunas aplicaciones

Por lo tanto, prácticamente en
todas las aplicaciones que se
describen a continuación debemos
tener en mente que se puede usar
indistintamente un láser de rubí o
uno de neodimio.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Algunas aplicaciones

Entre sus aplicaciones industriales
destaca su uso en la microperforación,
así como en la producción de
componentes electrónicos de precisión,
como por ejemplo resistencias, en las
cuales es necesario volatilizar muy
pequeñas cantidades de material para
fabricar resistencias de muy alta
precisión.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Algunas aplicaciones

Otra importante aplicación de estos
láseres se encuentra en el
marcado de productos de venta
con logotipos comerciales, la cual
se muestra esquemáticamente en
la figura.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Algunas aplicaciones

En el campo de la
industria militar, estos
láseres han sido utilizados
como "marcadores de
blanco".
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Algunas aplicaciones

Con un láser de baja potencia de este
tipo se apunta hacia el objetivo que se
desea destruir; en seguida un misil o
cohete con un sensor adecuado,
diseñado para identificar el lugar en
donde el láser está siendo apuntado se
dirige a dicho lugar y logra así la
destrucción del objetivo.

Esto se muestra esquemáticamente en la
figura (b).
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Algunas aplicaciones

Entre las aplicaciones médicas se
puede mencionar su uso en el
tratamiento de problemas
dermatológicos y tumores
cancerosos, y su uso como
cauterizador o bisturí láser.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Algunas aplicaciones

Puesto que la radiación producida por
este láser puede propagarse a través
de fibras ópticas, es posible realizar en
forma simple, segura y sin muchas
molestias para el paciente,
intervenciones en el estómago para el
tratamiento de úlceras, o en las venas
para destruir obstrucciones que podrían
causar serios problemas circulatorios.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Algunas aplicaciones

En ambos casos dichas
operaciones pueden realizarse
en cuestión de minutos, y no
requieren hospitalización ni
cirugía mayor.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Algunas aplicaciones


Las aplicaciones científicas de
estos láseres son muy variadas.
Comentaremos aquí una de las
aplicaciones actuales más
espectaculares y prometedoras de
este tipo de láseres.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Algunas aplicaciones

La idea principal consiste en
obtener energía por medio de
microexplosiones
termonucleares de fusión que
puedan ser utilizables para
fines civiles.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Algunas aplicaciones

Así como existen bombas atómicas de fisión
que funcionan utilizando átomos pesados de
uranio o plutonio (como las que
desgraciadamente fueron detonadas en
Hiroshima y Nagasaki), también existen
bombas de fusión (mucho más poderosas en
capacidad destructiva que las anteriores) que
funcionan utilizando átomos ligeros como el
hidrógeno o isótopos del hidrógeno (la
llamada "Bomba H").
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Algunas aplicaciones

Un reactor nuclear es un
dispositivo que nos permite
utilizar reacciones nucleares de
fisión con átomos pesados para
producir energía eléctrica con
fines pacíficos.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Algunas aplicaciones

Sin embargo, debido a que las reacciones nucleares
de fusión liberan mucha más energía que las de
fisión y a que las reservas mundiales de combustible
para producir reacciones de fusión son mucho
mayores que las reservas conocidas para producir
reacciones de fisión, existe en el mundo un intenso
esfuerzo científico por diseñar un nuevo tipo de
reactores nucleares para producir electricidad con
fines pacíficos, que funcionen haciendo uso de
reacciones nucleares de fusión y no de fisión como
los actuales.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Algunas aplicaciones

Una de las alternativas que actualmente está
en investigación para la construcción de este
nuevo tipo de reactores nucleares de fusión
consiste en utilizar intensos pulsos láser,
localizados en microesferas (de 0,1 a 1 mm
de diámetro) que contienen el combustible
nuclear (átomos de hidrógeno y algunos de
sus isótopos como el deuterio y tritio), como
se muestra en la figura.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Algunas aplicaciones
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Algunas aplicaciones

Debido a la intensa radiación láser
incidente, la superficie de la microesfera
se volatiliza casi instantáneamente,
produciendo un gas de muy alta
temperatura —llamado plasma—, en
expansión alrededor de la esfera, como
se muestra en la figura.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Algunas aplicaciones

Como reacción a la expansión de
dicho plasma, el interior de la
esfera se comprime (sufre una
implosión) y alcanza temperaturas
y densidades similares a las que
ocurren en las estrellas.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de rubí – Algunas aplicaciones

De esta forma el combustible
nuclear reacciona
fusionándose y liberando
energía que podría ser
utilizada para generar
electricidad.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Helio-Neon
El láser de helio-neón fue el
primer láser de gas que se
construyó.
 Actualmente sigue siendo muy
útil y se emplea con mucha
frecuencia.

SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Helio-Neon


Los centros activos de este láser son
los átomos de neón, pero la excitación
de éstos se realiza a través de los
átomos de helio.
Una mezcla típica de He-Ne para estos
láseres contiene siete partes de helio
por una parte de neón.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Helio-Neon / Características espectrales


La figura siguiente muestra el diagrama
de niveles de energía para el sistema
He-Ne.
Ahí se exponen las tres transiciones
láser más importantes, las cuales
ocurren a 3,39 mm, 1,15 mm y 0,6328
mm.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Helio-Neon / Características espectrales

Puede notarse que los niveles
del helio,
espectroscópicamente
denotados como 21S y 23S,
coinciden con los niveles 3s y
2s del neón.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Helio-Neon / Características espectrales


Como veremos en seguida, este hecho
es fundamental para la excitación de los
átomos de neón.
En este láser los centros activos son los
átomos de neón y la inversión de
población se logra entre los niveles 3s
con 3p y 2p, así como entre 2s y 2p.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Helio-Neon / Características espectrales

Nótese que el nivel energético
inferior de la transición láser no
es el estado base del átomo de
neón, por lo tanto, es necesario
pasar de la transición inferior al
estado base.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Helio-Neon / Funcionamiento


El bombeo del láser de He-Ne se
realiza por medio de las colisiones que
realizan los electrones de una descarga
eléctrica, principalmente con los átomos
de helio.
Como resultado de estas colisiones, los
átomos de helio son excitados a los
niveles 21S y 23S.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Helio-Neon / Funcionamiento

La excitación de los átomos
de neón se logra debido a
colisiones de éstos con
átomos excitados de helio.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Helio-Neon / Funcionamiento

Como resultado de dichas colisiones,
los átomos de helio pasan a su estado
base y los átomos de neón pasan del
estado base a los estados 3s y 2s,
creando una inversión de población
entre estos niveles y los niveles 3p y
2p.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Helio-Neon / Funcionamiento


Entre estos niveles energéticos puede
ocurrir la oscilación láser.
A partir de los niveles 3p y 2p, los
átomos de neón decaen
espontáneamente al nivel inferior 1s, de
donde pasan al estado base debido a
colisiones con otros átomos o con las
paredes del tubo láser.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Helio-Neon / Funcionamiento


La figura siguiente muestra la estructura
básica de un láser de He-Ne.
Las ventanas de Brewster instaladas en
los extremos del tubo consisten en
láminas de vidrio colocadas en un
ángulo específico (llamado ángulo de
Brewster) para disminuir al máximo
reflexiones de luz no deseada.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Helio-Neon / Funcionamiento
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Helio-Neon / Funcionamiento

Generalmente estos láseres
operan a una longitud de onda
de 0,6328 mm, y las potencias
típicas de salida son de 1 a 50
mW de potencia continua.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Helio-Neon / Aplicaciones

Este láser es sin duda alguna uno
de los más ampliamente utilizados
tanto en investigación básica como
para fines didácticos o industriales
que no requieran altas potencias
luminosas.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Helio-Neon / Aplicaciones

Sus principales aplicaciones se
presentan en el campo de la
metrología, la holografía y la
interferometría holográfica, por ejemplo,
en la realización de pruebas mecánicas
no destructivas para verificar el estado
de fatiga de tanques de alta presión,
estructuras mecánicas y llantas de
avión.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Helio-Neon / Aplicaciones


De este modo, utilizando una simple
prueba óptica se puede saber la
resistencia y confiabilidad que un
elemento mecánico puede tener.
En la industria naval y aeroespacial,
entre algunas otras, este tipo de
pruebas introducen un factor de
seguridad nunca antes imaginado.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Helio-Neon / Aplicaciones

Los láseres de He-Ne han sido también
utilizados con éxito en algunas
aplicaciones médicas; en dermatología
para el tratamiento de manchas en la
piel, o como auxiliares para estimular la
regeneración de tejido en cicatrices.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Helio-Neon / Aplicaciones

Dentro de sus muy amplias
aplicaciones científicas, basta
mencionar que el uso de este tipo
de láseres es necesario en la
alineación de cualquier
experimento o sistema óptico de
precisión.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Helio-Neon / Aplicaciones

La figura siguiente, por ejemplo,
muestra el montaje típico de un
interferómetro de Michelson
utilizado para la medición de
microdesplazamientos.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Helio-Neon / Aplicaciones
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Argon ionizado

Las transiciones radiactivas entre
niveles altamente excitados de
gases nobles se conocen desde
hace largo tiempo, y la oscilación
láser en este medio activo data
desde la década de los sesenta.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Argon ionizado

Entre estos láseres, el de argón
ionizado es el que más se utiliza,
debido a sus intensas líneas de emisión
en la región azul-verde del espectro
electromagnético y a la relativa alta
potencia continua que se puede obtener
de él.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Argon ionizado – Características espectrales

La figura siguiente muestra
los niveles energéticos que
contribuyen a lograr la
emisión láser en el argón
ionizado.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Argon ionizado – Características espectrales

El bombeo, necesario tanto para ionizar
el argón como para lograr la población
de los niveles energéticos superiores de
éste, se realiza por medio de colisiones
múltiples entre electrones producidos
por una descarga eléctrica con iones y
átomos activos.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Argon ionizado – Características espectrales

El nivel superior de la transición láser
corresponde al nivel
espectroscópicamente denotado por 4p,
que es poblado en forma colisional,
siguiendo los procesos:
3p  4d  4p
o también
3p  4p,
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Argon ionizado – Características espectrales



El primero de ellos llamado "en cascada" y el
segundo "directo".
No obstante, la población del nivel superior
de la transición láser puede también
producirse debido a transiciones de niveles
energéticamente superiores al 4p hacia el
nivel 4p.
El nivel inferior de la transición láser es el 4s.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Argon ionizado – Características espectrales

El láser de argón tiene varias
líneas de emisión, debido a que
los “niveles” 4p y 4s, de hecho,
están compuestos por 15 y 8
niveles espectrales
respectivamente.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Argon ionizado – Características espectrales

Sin embargo, algunas
transiciones son más
intensas que otras: dos de
las más importantes
corresponden a 0,515 mm de
longitud de onda.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Argon ionizado - Funcionamiento

En este láser el bombeo se realiza
por una descarga eléctrica cuya
corriente típica es entre 15 y 50
amperios, que al pasar por el tubo
de descarga puede producir
densidades de corriente del orden
de 1.000 amperios/cm².
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Argon ionizado - Funcionamiento

Para evitar que los electrones de
excitación pierdan energía al colisionar
con las paredes del tubo de descarga
se utiliza una bobina que produce un
campo magnético para limitar el
movimiento de los electrones en la
dirección longitudinal del tubo.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Argon ionizado - Funcionamiento

El esquema típico de un
láser de argón ionizado se
muestra en la figura.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Argon ionizado - Funcionamiento
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Argon ionizado - Funcionamiento

Debido a la alta corriente, el
movimiento de los iones hacia el
cátodo y de los electrones hacia el
ánodo producirá una diferencia en
la distribución de iones y de
presión en el tubo, la cual puede
interrumpir la oscilación del láser.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Argon ionizado - Funcionamiento

Para solucionar este problema, se
coloca una conexión de retorno para el
gas entre el cátodo y el ánodo cuidando
que la trayectoria de la columna de
descarga esté en el tubo para evitar
que la descarga eléctrica se realice en
la conexión de retorno.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Argon ionizado - Funcionamiento
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Argon ionizado - Funcionamiento

Para poder seleccionar una sola
longitud de onda de oscilación en
el láser, dentro de la cavidad óptica
se introduce un "elemento
dispersor", cómo por ejemplo un
prisma.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Argon ionizado - Funcionamiento


De este modo sólo retornará a lo
largo del eje óptico del láser
radiación de una sola longitud de
onda.
Esto se muestra
esquemáticamente en la figura.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Argon ionizado - Funcionamiento
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Argon ionizado - Aplicaciones

Dado que estos láseres pueden
proporcionar potencias continuas
de hasta 100 watts y también ser
operados en forma pulsada, se les
ha encontrado diversas
aplicaciones médicas, técnicas y
científicas.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Argon ionizado - Aplicaciones

Su uso en fotoimpresión y
litografía está muy difundido,
así como en el mercado de
logotipos comerciales, como se
muestra esquemáticamente en
la figura.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Argon ionizado - Aplicaciones

Su uso en fotoimpresión y litografía está muy difundido, así
como en el mercado de logotipos comerciales, como se
muestra esquemáticamente en la figura.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Argon ionizado - Aplicaciones

Estos láseres también han sido
extensamente utilizados en el
estudio de la cinética de
reacciones químicas y en la
excitación selectiva de éstas.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Argon ionizado - Aplicaciones

Hay algunas reacciones químicas
que sólo se producen en presencia
de radiación láser o cuya rapidez
puede incrementarse notablemente
cuando los reactantes son
irradiados con luz láser de longitud
de onda apropiada.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Argon ionizado - Aplicaciones

En el primer caso podemos obtener
sustancias que de otro modo sería
difícil obtener y en el segundo caso
se tiene la posibilidad de
incrementar la productividad de
algunas industrias químicas.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Argon ionizado - Aplicaciones


Otro importante campo de
aplicación de estos láseres está en
el área médica.
En particular destacan sus
aplicaciones en oftalmología para
la fotocoagulación y “soldadura” de
pequeñas áreas.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Argon ionizado - Aplicaciones


El ojo es transparente a la luz entre
aproximadamente 0,38 y 1,4 mm.
A menores longitudes de onda el
cristalino y la córnea absorben la
radiación y a mayores longitudes de
onda son las moléculas de agua
presentes en el ojo las que absorben la
luz.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Argon ionizado - Aplicaciones


Por medio de radiación láser es posible
en la actualidad tratar casos de
desprendimiento de retina.
Como se muestra en la figura, el haz
láser es focalizado en la retina por el
propio cristalino del paciente.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
El láser de Argon ionizado - Aplicaciones

Finalmente, cabe mencionar que
además de las aplicaciones
anteriores, este tipo de láser es
ampliamente utilizado (en algunos
casos en forma bastante peligrosa
e irresponsable) en "discotecas" y
en láser-shows.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono


El láser de dióxido de carbono CO2 es
el ejemplo más importante de los
láseres moleculares.
El medio activo en este láser es una
mezcla de dióxido de carbono (CO2),
nitrógeno (N2) y helio (He), aunque las
transiciones láser se llevan a cabo en
los niveles energéticos del CO2.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono

El N2 y el He son
importantes para los
procesos de excitación y
desexcitación de la molécula
de CO2.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono
Características espectrales del CO2

Las transiciones energéticas en
una molécula ocurren debido a
los cambios que ésta realiza en
la energía almacenada en
forma vibracional o rotacional.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono
Características espectrales del CO2

En particular la molécula de CO2
presenta tres modos diferentes de
oscilación vibracional que son:
oscilación simétrica, oscilación de
flexión y oscilación antisimétrica.

Estos se muestran en la figura.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono
Características espectrales del CO2
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono
Características espectrales del CO2

Como hemos visto anteriormente, la
energía de un oscilador existe sólo en
forma cuantizada y por tanto la energía
de la molécula de CO2 puede
representarse por una tríada de
números (i, j, k), en donde cada número
representa la cantidad de energía
asociada a cada modo.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono
Características espectrales del CO2


Además de estos estados
vibracionales, también son posibles los
estados asociados a los movimientos
rotacionales de la molécula alrededor
de su centro de masa.
Sin embargo, las energías asociadas a
estos últimos son generalmente más
pequeñas que las vibracionales.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono
Características espectrales del CO2

La radiación de emisión asociada con la
diferencia de energía entre transiciones
energéticas electrónicas se encuentra
usualmente en la región visible o
ultravioleta del espectro, mientras que
las transiciones vibracionales y
rotacionales moleculares están en el
infrarrojo cercano y lejano.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono
Características espectrales del CO2
Por esta razón la mayoría de
los láseres moleculares
trabajan en el infrarrojo.
 La figura siguiente muestra los
niveles energéticos de la
molécula del CO2 y del N2.

SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono
Características espectrales del CO2
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono
Características espectrales del CO2


En el láser de CO2, las moléculas son
excitadas del estado base al estado de
mayor energía denotado como (001).
Con una excitación adecuada se puede
producir la inversión de población entre
él estado (001) y los estados (100) y
(020).
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono
Características espectrales del CO2


La línea más intensa del láser de CO2 está
localizada en 10,6 mm en el infrarrojo y es el
producto de una transición entre los niveles
(001) y (100).
Una línea más débil a 9,6 mm compite con la
línea de 10,6 mm, y se debe a una transición
entre los niveles (001) y (020).
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono
Características espectrales del CO2

Para excitar a la molécula de
CO2 del estado base (000) al
estado excitado (001), se
pueden usar eficientemente
dos procesos, a saber:
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono
Características espectrales del CO2
a) Colisión de electrones.

Consiste básicamente en la transferencia
de energía entre electrones energéticos
(denotados por e*) y moléculas de CO2 en
su estado base (el estado (000)) para
producir electrones con poca energía
(denotados como e) y moléculas de CO2 en
su estado excitado (el estado (001)).

De esta manera, los electrones transfieren
por colisión su energía a las moléculas de
CO2.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono
Características espectrales del CO2

Esta reacción se puede escribir como:
CO2 (000) + e*  e + CO2 (001)
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono
Características espectrales del CO2
b) Transferencia de energía resonante
de la molécula de N2.
Este proceso consiste en la
transferencia de energía que moléculas
de N2 previamente excitadas por
colisión de electrones realizan con
moléculas de CO2.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono
Características espectrales del CO2


Se trata de un proceso muy eficiente,
ya que, como podemos ver en la figura,
los niveles energéticos de la molécula
excitada de CO2 (en el nivel (001)) y los
de la molécula excitada de N2* casi
coinciden.
Por ello, decimos que es un proceso
"resonante".
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono
Características espectrales del CO2
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono
Características espectrales del CO2

Esta reacción se escribe como:
CO2 (000) + N2*  CO2 (001) + N2
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono
Características espectrales del CO2

Una vez que la transición láser
entre los niveles (001) y (100) o
(020) ha ocurrido, la molécula
de CO2 pasa al estado (010)
debido a colisiones con
moléculas no excitadas de CO2.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono
Características espectrales del CO2

Finalmente la molécula de
CO2 pasa del estado (010) al
estado base (000) debido a
colisiones con los átomos de
helio introducidos.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono
Características espectrales del CO2

En conclusión, podemos ver que la
excitación de la molécula de CO2
se logra eficientemente debido a la
presencia del N2, mientras que la
desexcitación de la molécula de
CO2 se logra debido a la presencia
del He.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono - Funcionamiento

Aunque todos los láseres de CO2
funcionan debido a los mismos
principios, es conveniente analizar por
separado los diferentes tipos de láseres
de CO2, los cuales pueden ser
clasificados por la manera en que se
hace circular la mezcla gaseosa y por
los métodos de producir la descarga
eléctrica.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono - Funcionamiento

Se describirán los láseres de CO2
de flujo axial y de flujo y excitación
transversal, dejando para más
adelante el láser dinámico de CO2,
que involucra un sistema de
bombeo diferente al de la descarga
eléctrica.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono- Funcionamiento
Láser de flujo y excitación transversal de CO2

Para los láseres de flujo
axial existe un límite en la
potencia máxima que
pueden proporcionar.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono- Funcionamiento
Láser de flujo y excitación transversal de CO2


Esto se debe a que gran parte de
la potencia eléctrica que consumen
es disipada en forma de calor.
En estos láseres el calor se elimina
por difusión del centro del tubo
hacia las paredes, las cuales son
enfriadas.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono- Funcionamiento
Láser de flujo y excitación transversal de CO2
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono- Funcionamiento
Láser de flujo y excitación transversal de CO2

Una forma más eficiente de
realizar el enfriamiento
consiste en hacer que el gas
fluya perpendicularmente a
la descarga.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono- Funcionamiento
Láser de flujo y excitación transversal de CO2
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono- Funcionamiento
Láser de flujo y excitación transversal de CO2

Si el flujo es lo bastante rápido, el
calor se elimina por convección
más que por difusión, y la
excitación es realizada por una
descarga perpendicular al eje del
resonador.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono- Funcionamiento
Láser de flujo y excitación transversal de CO2


El flujo de gas y de corriente eléctrica
de descarga puede aumentarse
considerablemente (en relación con un
láser de flujo axial) y por tanto la
potencia de salida también aumenta.
Potencias continuas de 3 kW y aun
mayores son fácilmente alcanzables.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono- Funcionamiento
Láser de flujo y excitación transversal de CO2

Debido a que estos láseres operan a
presiones de gas más elevadas que las
de los láseres de excitación
longitudinal, tendremos una mayor
potencia de salida debido al incremento
de la cantidad de centros activos por
unidad de volumen en la región de
excitación.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono - Aplicaciones

Las altas potencias proporcionadas
por estos láseres han difundido su
aplicación a varios procesos de
manufactura y se ha logrado hacer
eficiente la producción bajando al
mismo tiempo los costos.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono - Aplicaciones

Algunas de las principales
aplicaciones de los láseres
de CO2 están en la industria
metal-mecánica, plástica y
textil, entre muchas otras.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono - Aplicaciones


Son usados en el endurecimiento
de metales así como en corte,
soldadura y perforación.
El cuadro ilustra la aplicación de
este tipo de láseres en el corte de
diversos materiales.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono - Aplicaciones

En la mayoría de estas
aplicaciones el uso del láser
está sincronizado con
elementos automáticos o
computarizados tales como
robots.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono - Aplicaciones


De esta forma el corte de complicados
diseños en diversos materiales puede
realizarse en forma rápida y precisa.
Hoy en día son ya: innumerables las
industrias que utilizan robots-láser en
sus líneas de producción, como la
industria electrónica y la automotriz.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono - Aplicaciones

Además de estas
aplicaciones industriales,
destacan las aplicaciones
médicas del láser de CO2.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono - Aplicaciones


Esto es debido a que la radiación láser
emitida de 10,6 mm es fuertemente
absorbida por las moléculas de agua.
Dado que el cuerpo humano está
compuesto en más del 80% por estas
moléculas, al hacer incidir dicha
radiación en el tejido humano ésta es
rápidamente absorbida.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono - Aplicaciones

Al focalizar esta radiación en un tejido
se produce una fina quemadura, cuya
profundidad (para un sistema de
focalización dado) puede controlarse
variando la potencia del láser, lo cual
constituye el principio de operación del
bisturí láser.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono - Aplicaciones

Las aplicaciones de este
instrumento en cirugía
general están
ampliamente difundidas
en la actualidad.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono - Aplicaciones

Una importante ventaja que tiene sobre
los bisturíes convencionales radica en
que con el láser al mismo tiempo que
se corta se está cauterizando; de este
modo, es posible realizar complicadas
intervenciones quirúrgicas sin gran
pérdida de sangre y con mayor rapidez.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de dióxido de carbono - Aplicaciones

Aparte de las aplicaciones
quirúrgicas del láser de CO2
destacan sus aplicaciones en
dermatología, ginecología,
proctología y, recientemente,
odontología.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de gas dinámico de CO2

La diferencia fundamental
entre un láser de gas
dinámico y un láser
convencional de CO2 radica
en el método de bombeo
empleado.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de gas dinámico de CO2

En el láser de gas dinámico la
radiación láser es producida al
enfriar rápidamente una mezcla
de gas precalentado que fluye a
lo largo de una tobera hasta la
cavidad del resonador.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de gas dinámico de CO2

Por las altas potencias que
es capaz de proporcionar se
ha convertido en una
importante alternativa para
ciertas aplicaciones
industriales.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de gas dinámico de CO2 - Funcionamiento

Las transiciones energéticas
vibracionales de la molécula de CO2
utilizadas para la emisión en el láser de
gas dinámico de CO2 son las mismas
que se usan en el láser convencional de
CO2 y que fueron descritas en la
sección anterior.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de gas dinámico de CO2 - Funcionamiento

Un láser dinámico de CO2
utiliza mezclas gaseosas de
CO2 : N2 : H2O en una
relación típica de 0,8 : 9 : 0,2
respectivamente.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de gas dinámico de CO2 - Funcionamiento

Un requisito esencial de estos
láseres es que el tiempo de paso
de la mezcla gaseosa a través de
la tobera debe ser menor que el
tiempo de vida del CO2 y del N2 en
sus estados excitados.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de gas dinámico de CO2 - Funcionamiento

La figura muestra
esquemáticamente el
diagrama de un láser
de gas dinámico de
CO2.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de gas dinámico de CO2 - Funcionamiento
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de gas dinámico de CO2 - Funcionamiento

La elevada temperatura de la mezcla
gaseosa necesaria para obtener la
inversión de población se logra
mediante combustión de materiales
comunes como acetileno, etileno, etc., o
calentando directamente la mezcla
gaseosa mediante un chispazo
producido por una bujía o un arco.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de gas dinámico de CO2 - Funcionamiento

Además del calentamiento
causado por la rápida
compresión a que es
sometido el gas antes de
entrar a la tobera.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de gas dinámico de CO2 - Funcionamiento

Con sistemas de esta
clase se ha logrado la
emisión láser tanto en el
modo continuo como en el
pulsado.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de gas dinámico de CO2 - Funcionamiento

La mezcla gaseosa es
calentada a temperaturas de
alrededor de 1.800°C y
sometida a altas presiones
(alrededor de 25
atmósferas).
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de gas dinámico de CO2 - Funcionamiento

El paso de la mezcla a través de la
tobera se realiza a velocidades
supersónicas de 1.200 a 1.500 m/s y la
expansión causada en ésta reduce la
temperatura de la mezcla a valores del
orden de 550°C y presiones de 0,1
atmósferas.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de gas dinámico de CO2 - Funcionamiento

La eficiencia de estos
láseres es baja, por lo
general no mayor del 1 al
3%, debido a varios
problemas.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de gas dinámico de CO2 - Funcionamiento

Uno de ellos consiste en que gran parte de la
energía total de la mezcla gaseosa es
convertida en energía cinética durante la
expansión en la tobera; asimismo el paso de
la mezcla gaseosa a lo largo de la tobera es
tan rápido que una elevada cantidad de
moléculas de N2 no tienen el tiempo de
transferir su energía a las moléculas de CO2.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de gas dinámico de CO2 - Funcionamiento


Además, algunas moléculas de CO2
tampoco tienen tiempo de desexcitarse.
La solución a estos problemas está
estrechamente relacionada con el
diseño mecánico-aerodinámico de la
tobera de expansión del láser.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de gas dinámico de CO2 - Funcionamiento

No obstante su baja eficiencia
este láser permite extraer
grandes cantidades de energía
láser continua debido al
elevado flujo de centros activos
a través del resonador.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de gas dinámico de CO2 - Funcionamiento


Han llegado a construirse láseres de
este tipo de 100 kW continuos, o aún
más.
En forma análoga al láser de gas
dinámico de CO2 han sido construidos
esta clase de láseres, utilizando otros
tipos de centros activos, como las
moléculas de N2O o de CS2.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de gas dinámico de CO2 - Aplicaciones

En virtud de las altas potencias que
se pueden alcanzar con estos
láseres, sus aplicaciones son
importantes y variadas, aunque
limitadas a campos en los cuales
se requieren muy altas potencias
láser.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de gas dinámico de CO2 - Aplicaciones

Entre éstas destacan
aplicaciones en la industria
metal-mecánica para
soldadura, corte y
tratamiento de materiales.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de gas dinámico de CO2 - Aplicaciones

Por ejemplo, en la industria naval y
aeroespacial es utilizado para el
corte de placas metálicas con alta
precisión, en donde la
manipulación y control del láser se
realiza por medio de robots y
computadoras.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de gas dinámico de CO2 - Aplicaciones


Debido a su alta potencia, las
aplicaciones militares de estos
láseres también han sido objeto de
estudio.
Destruir objetivos militares en
movimiento en tierra o aire ha sido
ya realizado con éxito.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de soluciones líquidas orgánicas
 El
medio activo en este tipo de
láseres está compuesto por
líquidos en los que se han
disuelto compuestos orgánicos,
entendidos estos últimos cómo
los hidrocarburos y sus
derivados.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de soluciones líquidas orgánicas
 Estos
láseres son bombeados
ópticamente y como en seguida
veremos, una de sus más
importantes características radica
en que pueden emitir radiación láser
en anchas bandas de longitud de
onda, es decir que son
"sintonizables".
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de soluciones líquidas orgánicas –Características espectrales
 Las
moléculas orgánicas
utilizadas como centros activos
para este tipo de láseres se
comportan básicamente como
sistemas de tres niveles de
energía, tal como se muestra en
la figura.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de soluciones líquidas orgánicas –Características espectrales
De hecho, cada “nivel” corresponde a
bandas producidas por la energía
vibracional de la molécula.
 El nivel superior de la transición láser
conocido como S1 se puebla al excitar
ópticamente las moléculas de su estado
base G al estado S1, por medio de un
láser o una lámpara flash.

SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de soluciones líquidas orgánicas –Características espectrales

Por desgracia, el nivel S1 tiene una vida media
muy pequeña y las moléculas que llegan a
dicho nivel se desexcitan muy rápido.
 Es por tanto necesario realizar una gran
cantidad de bombeo para mantener la
inversión de población.
 Existe también otro nivel energético que se
conoce como T1 (véase la figura), pero este
nivel no contribuye a la acción láser.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de soluciones líquidas orgánicas –Características espectrales
Este nivel tiene una vida media muy
larga y por tanto las moléculas que
llegan allí no regresan al estado base
para nuevamente ser excitadas al nivel
S1 y así cerrar el circuito de excitación
molecular y emisión láser.
 De hecho, cuando una gran cantidad de
moléculas llegan al nivel T1 el láser deja
de oscilar.

SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de soluciones líquidas orgánicas –Funcionamiento
 Una
forma de evitar los dañinos
efectos causados por la presencia
del nivel T1 es bombeando el láser
con un pulso óptico muy corto; de
este modo el láser oscila por un
tiempo muy breve antes de que las
moléculas sean atrapadas en el
nivel T1.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de soluciones líquidas orgánicas –Funcionamiento
 Al
compuesto líquido orgánico
se le pueden añadir algunos
“aditivos” que tienen como
función desexcitar rápidamente
las moléculas que llegaron al
nivel T1.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de soluciones líquidas orgánicas –Funcionamiento
 Otra
solución a este problema es
hacer fluir el líquido orgánico a
través del láser, de este modo el
medio activo se está renovando
constantemente, y permite la
operación continua de este tipo de
láseres.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de soluciones líquidas orgánicas –Funcionamiento
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de soluciones líquidas orgánicas –Aplicaciones
En
la actualidad hay más
de 200 líquidos orgánicos
que pueden ser usados
como medio activo para
este tipo de láser.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de soluciones líquidas orgánicas –Aplicaciones
 Se
pueden obtener longitudes de
onda de emisión desde el
ultravioleta hasta el infrarrojo, y
realizarse varias aplicaciones
científicas en espectroscopia y
excitación o absorción selectiva,
entre muchas otras.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de soluciones líquidas orgánicas –Aplicaciones
 Asimismo
su utilización en el
problema de la separación
isotópica ha sido objeto de
amplia investigación,
principalmente al desarrollo de
los programas nucleares de
varios países.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de soluciones líquidas orgánicas –Aplicaciones
Uranio natural U238 contiene
aproximadamente el 0,7% del
isótopo más ligero U235, que es
requerido por la industria nuclear.
 La idea básica para lograr la
separación por medio de un láser
de dichos isótopos se muestra en la
figura.
 El
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de soluciones líquidas orgánicas –Aplicaciones
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de soluciones líquidas orgánicas –Aplicaciones
 Debido
a la diferencia de masa
entre los átomos U238 y U235 los
niveles energéticos de sus
electrones son también ligeramente
diferentes, por lo tanto si utilizamos
apropiado es posible ionizar tan
solo los átomos de U235 dejando
neutros a los átomos de U238.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láser de soluciones líquidas orgánicas –Aplicaciones
Después
de un
conjunto de campos
magnéticos separa a
los átomos ionizados de
los neutros.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores
Los
láseres de
semiconductores son los
láseres más eficientes,
baratos y pequeños que es
posible obtener en la
actualidad.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores
 Desde
su invención en 1962 se han
mantenido como líderes en muchas
aplicaciones científico-tecnológicas
y su continua producción masiva
nos da un inicio de que esta
situación se prolongara por mucho
tiempo.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Dispositivos semiconductores
Podemos
considerar a los
átomos como pequeños
sistemas solares con
electrones girando en órbitas
específicas alrededor de un
núcleo con carga positiva.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Dispositivos semiconductores
Los
electrones localizados en
la última órbita son llamados
electrones de valencia y no
son retenidos tan firmemente
como los que se encuentran
en las órbitas interiores.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Dispositivos semiconductores
 Cuando
varios átomos se
combinan para formar una
molécula o una estructura
cristalina los electrones de
valencia son intercambiados
libremente, ligando con esto a
los átomos.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Dispositivos semiconductores
 Elementos
semiconductores típicos
son el silicio y germanio.
 Un material semiconductor como el
silicio en su forma cristalina tiene
sus cuatro electrones de valencia
entrelazadas con los átomos
adyacentes.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Dispositivos semiconductores
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Dispositivos semiconductores
La figura es una representación
bidimensional de la estructura cristalina
del silicio, en ella se muestran sus
electrones de valencia y sus núcleos.
 A muy bajas temperaturas el silicio se
comporta como un aislador, ya que no
hay electrones libres que puedan
conducir corriente eléctrica.

SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Dispositivos semiconductores
 Sin
embargo, a temperatura
ambiente, por la agitación térmica,
algunos electrones serán separados
de su posición dentro de la red
cristalina, quedando libres y
dejando en su lugar un "hueco" con
carga positiva.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Dispositivos semiconductores
Si
a través del cristal se
aplica un campo eléctrico
circulará una pequeña
corriente eléctrica debido al
movimiento de electrones
libres y de huecos.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Dispositivos semiconductores
Todos
los materiales
existentes pueden
clasificarse en las
siguientes categorías:
conductores, aislantes o
semiconductores.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Dispositivos semiconductores
 Los
primeros son materiales que
conducen con facilidad una
corriente eléctrica a través de
ellos.
 Los segundos difícilmente
conducen corrientes eléctricas y
los últimos están en una
situación intermedia.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Dispositivos semiconductores
 Un
buen conductor como la
plata tiene una conductividad de
6 × 107 mohs/metro, mientras
que un buen aislante como el
cuarzo fundido tiene una
conductividad de 2 × 10-17
mohs/metro.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Dispositivos semiconductores
Es
decir que hay 24
órdenes de magnitud de
diferencia en su
conductividad.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Dispositivos semiconductores
Un
semiconductor tiene
una conductividad típica
de 7 a 14 órdenes de
magnitud menor que un
buen conductor.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Dispositivos semiconductores
 Ejemplos
de materiales
semiconductores son el
germanio (Ge), el silicio (Si) y
algunos compuestos como el
arsenuro de galio (GaAs) y el
sulfuro de plomo (PbS).
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Dispositivos semiconductores
Es
posible aumentar en
forma controlada la
conductividad de un
semiconductor.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Dispositivos semiconductores
 Para
realizar esto, durante la
formación del semiconductor
puro se introduce una pequeña
cantidad de átomos
"contaminantes" con tres o con
cinco electrones de valencia en
lugar de sólo cuatro.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Dispositivos semiconductores

La introducción de átomos
contaminantes con tres electrones de
valencia como por ejemplo el boro (B), el
galio (Ga) o el indio (In), da lugar a una
estructura cristalina imperfecta en la cual
han quedado “huecos positivos” que
aumentan la conductividad del material.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Dispositivos semiconductores
Este
tipo de materiales se
conocen como
semiconductores tipo P y su
representación bidimensional
se muestra en la figura.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Dispositivos semiconductores
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Dispositivos semiconductores

De manera similar, la introducción de
átomos contaminantes con cinco
electrones de valencia, como por
ejemplo el fósforo (P), el arsénico (As),
el bismuto (Bi) o el antimonio (Sb), da
origen a una estructura cristalina
imperfecta en la cual han quedado
electrones en exceso qué incrementan la
conductividad del material.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Dispositivos semiconductores
 Estos
materiales contaminados
con átomos con cinco
electrones de valencia son
llamados semiconductores tipo
N.
 Su representación bidimensional
se muestra en la figura.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Dispositivos semiconductores
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Diodos y láseres semiconductores
Cuando
un trozo de
material semiconductor
tipo P y uno tipo N se unen
tenemos una "unión P-N
que es también conocida
como diodo.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Diodos y láseres semiconductores

Si en este diodo colocamos una batería,
conectando el polo positivo con el
material tipo N y el polo negativo con el
material tipo P, el resultado es que los
huecos son atraídos por el potencial
negativo de la batería y el potencial
positivo de la batería atrae a los
electrones libres.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Diodos y láseres semiconductores
En
este caso no puede haber
circulación de corriente
eléctrica a través del diodo y
décimos que está polarizado
en sentido inverso como se
muestra en la figura.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Diodos y láseres semiconductores
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Diodos y láseres semiconductores
 Por
el contrario, si conectamos una
batería con el polo positivo al
material tipo P y el negativo al
material tipo N, los huecos positivos
son repelidos por el potencial
positivo de la batería y dirigidos
hacia la unión de los materiales P y
N.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Diodos y láseres semiconductores
Por otra parte, los electrones libres de la
región N son repelidos por el potencial
negativo de la batería y dirigidos también
hacia la unión de los materiales P y N.
 En dicha unión los electrones y los
huecos se recombinan y permiten así el
paso de corriente.

SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Diodos y láseres semiconductores
En
este caso decimos que
tenemos polarización en
sentido directo, como se
muestra en la figura.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Diodos y láseres semiconductores
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Diodos y láseres semiconductores
Durante
la recombinación de
huecos y electrones pueden
ser emitidos fotones que
generalmente caen en la
región infrarroja del espectro.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Diodos y láseres semiconductores
Diseñando una unión P-N de forma
adecuada, podemos formar una cavidad
láser, cuya región activa está formada
por la región de unión de los materiales
P y N.
 La realización práctica de un láser de
semiconductor se muestra
esquemáticamente en la figura.

SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Diodos y láseres semiconductores
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Aplicaciones
 Debido
a su solidez y a sus
reducidas dimensiones, estos
láseres encuentran aplicación
en cualquier área tecnológicocientífica que demande un láser
de no muy alta intensidad.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Aplicaciones

Hoy en día, una de las aplicaciones
principales de estos láseres se encuentra en
los sistemas electro-ópticos de comunicación,
en los cuales las líneas de transmisión por
medio de cables eléctricos son sustituidas por
fibras ópticas que tienen la ventaja de poder
transmitir bastante más información que los
cables eléctricos convencionales, además de
ser prácticamente insensibles a
perturbaciones eléctricas exteriores.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Aplicaciones
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Aplicaciones
En la actualidad es posible transmitir
hasta 50.000 conversaciones telefónicas
simultáneamente, por medio de una sola
fibra óptica.
 Estos revolucionarios avances logrados
en sistemas de comunicación que
utilizan fibras ópticas y diodos láser eran
inimaginables hace unas cuantas
décadas.

SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Aplicaciones
 Otra
aplicación actual muy
importante de los diodos láser la
encontramos en los sistemas de
lectura de discos ópticos
compactos, mejor conocidos
como discos láser o discos
compactos.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Aplicaciones

Estos discos contienen cierta información (por
lo común es música pero también puede ser la
Enciclopedia Británica), grabada digitalmente
por medio de perforaciones cortas o largas en
una laminilla metálica que es encapsulada en
el plástico que constituye el disco compacto
(poniendo a contraluz uno de estos discos
podremos apreciar la presencia de dichas
perforaciones).
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Aplicaciones
La
lectura de la
información ahí
contenida se realiza en
la forma que se muestra
en la figura.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de semiconductores – Aplicaciones
Mientras el disco compacto gira, la
presencia o ausencia de perforaciones
es detectada por medio de la radiación
láser reflejada en la superficie del disco.
 Esta radiación reflejada se convierte
finalmente en una señal eléctrica por
medio del detector mostrado en la
misma figura.

SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de electrones libres
Todos
los sistemas láser
anteriormente vistos basan
su funcionamiento en la
inversión de población
lograda en un medio activo
atómico o molecular.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de electrones libres
 Por
tanto, la longitud de onda a la
cual el láser emite está
inevitablemente determinada por los
centros activos contenidos en la
cavidad láser, es decir, por las
transiciones energéticas permitidas
a los átomos o moléculas de dicho
medio.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de electrones libres

Un láser basado en la emisión de
radiación estimulada por electrones
libres no tiene las limitaciones propias de
los láseres anteriormente vistos, pues
los electrones libres no están sujetos a
la existencia de transiciones energéticas
particulares y por lo tanto pueden
generar radiación electromagnética en
cualquier longitud de onda del espectro.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de electrones libres
 Este
tipo de láseres utilizan
como medio activo un haz de
electrones que se mueve con
velocidades cercanas a la de la
luz.
 Debido a esto se le llama haz
relativista de electrones.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de electrones libres
Podemos
describir un láser
de electrones libres como un
instrumento que convierte la
energía cinética de un haz
relativista de electrones en
radiación láser.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de electrones libres - Funcionamiento

Aunque el principio físico de la emisión
estimulada, emisión espontánea y
absorción que tiene lugar en un láser
convencional no ocurre en un láser de
electrones libres debido a la inexistencia
de centros activos atómicos o
moleculares, ocurren procesos
homólogos, como se verá a
continuación.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de electrones libres - Funcionamiento
Como
es sabido, una
partícula eléctricamente
cargada —como un
electrón— que es acelerada,
radia energía en forma de
ondas electromagnéticas.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de electrones libres - Funcionamiento
 Esta
radiación es llamada
emisión Bremsstrahlung, pero
cuando es producida por la
aceleración centrípeta de una
partícula relativista en un campo
magnético recibe el nombre de
radiación.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de electrones libres - Funcionamiento
Esta radiación posee un espectro
continuo desde los rayos X hasta las
ondas centimétricas.
 En un láser de electrones libres
podemos generar este tipo de radiación
y debido a sus características
espectrales la llamaremos emisión
espontánea.

SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de electrones libres - Funcionamiento

Los procesos de emisión estimulada y
de absorción de una onda
electromagnética en un láser de
electrones libres ocurren debido al
acoplamiento y consecuente intercambio
de energía entre el haz relativista de
electrones y la onda electromagnética
propagada en él.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de electrones libres - Funcionamiento
Bajo ciertas condiciones la onda
electromagnética puede absorber la
energía del haz de electrones.
 En este caso decimos que el proceso de
“emisión estimulada” ocurre y por lo
tanto la onda electromagnética resulta
amplificada.

SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de electrones libres - Funcionamiento

Por otra parte, en otras condiciones la
onda electromagnética cederá su
energía al haz de electrones y en este
caso decimos que el proceso de
"absorción" está ocurriendo y por lo
tanto la energía de la onda
electromagnética será absorbida por el
haz de electrones.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de electrones libres - Funcionamiento

Sin embargo, los principios básicos del
electromagnetismo nos dicen que el
intercambio de energía entre un haz de
electrones y una onda electromagnética
que se propaga de manera colineal a
éste sólo ocurrirá si los electrones del
haz tienen una componente de
movimiento transversal a la dirección de
propagación del haz de electrones.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de electrones libres - Funcionamiento

Para producir esta componente transversal de
movimiento en los electrones, se coloca a lo
largo del láser un conjunto de imanes cuya
función es desviar la trayectoria rectilínea del
haz de electrones y convertirla en una
trayectoria ondulada, tal como se muestra en
la figura siguiente.
 De hecho, al conjunto de tal grupo de imanes
se le llama ondulador.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de electrones libres - Funcionamiento
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de electrones libres - Funcionamiento
 La
figura siguiente muestra el
diseño esquemático del primer láser
de electrones libres que se
construyó.
 En este caso, el conjunto de imanes
del ondulador forma una estructura
helicoidal.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de electrones libres - Funcionamiento
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de electrones libres - Funcionamiento
Este
tipo de láser ha
despertado mucho interés
por la posibilidad que tiene
de generar radiación láser en
la región ultravioleta y de
rayos X suaves del espectro.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de electrones libres - Aplicaciones
 La
mayoría de las aplicaciones
de este tipo de láseres están
apenas en investigación, pero
por su utilidad destacan las
relacionadas con el campo
médico.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de electrones libres - Aplicaciones
 Por
otra parte, aplicaciones
militares relacionadas con el
proyecto de la iniciativa de
defensa estratégica
estadounidense, mejor conocido
como "La Guerra de las
galaxias", siguen en estudio.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de electrones libres - Aplicaciones
 Uno
de los objetivos es desarrollar
sistemas láser colocados en la
Tierra o en el espacio, capaces de
destruir misiles nucleares.
 La figura siguiente muestra un
bosquejo de una de las opciones
estudiadas.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Láseres de electrones libres - Aplicaciones

No obstante las ventajas actuales y
potenciales de este tipo de láser, uno de
sus mayores inconvenientes es, sin
duda, su elevado costo, ya que para
generar el medio activo (el haz de
electrones) en la actualidad se están
usando enormes y muy costosos
aceleradores de partículas.
SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Reseña histórica
1917 Einstein introduce el concepto
de emisión estimulada.
 1954
Basov, Prokhorov e —
independientemente— Townes,
construyen un amplificador de
microondas (MÁSER) utilizando el
proceso de emisión estimulada.

SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Reseña histórica
1958 Prokhorov e —
independientemente— Schawlow
Townes justifican teóricamente la
posibilidad de construir un oscilador
óptico de luz visible (láser).
 1960
Maiman construye el primer
láser (de rubí).

SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Reseña histórica
1961 Javan construye un láser
utilizando una mezcla gaseosa de helioneón.
 1961
Hellwarth realiza investigación
fundamental sobre el Q-Switching.

SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Reseña histórica
1961 Snitzer realiza investigación
sobre el láser de Nd:vidrio.
 1961-1962 Bloenbergen y Khokhov
realizan investigaciones teóricas
fundamentales en el campo de la óptica
no lineal y los láseres.

SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Reseña histórica
1962-1963 Los primeros láseres de
semiconductores funcionan en varios
laboratorios del mundo.
 1964
Geusic, Marios y Van Uitert
realizan investigación sobre el láser de
Nd:YAG.
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SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Reseña histórica
1964 Patel construye el primer láser
de CO2.
 1964
Kasper y Pimentel desarrollan el
láser químico de yodo.

SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Reseña histórica
1964 DiDominico y Hargrove
desarrollan el Mode-Locking.
 1969
Beaulieu desarrolla los láseres
TEA.

SISTEMAS LASER ESPECÍFICOS:
Reseña histórica
1970 Basov desarrolla los láseres de
excímeros.
 1976
Ewing y Brau desarrollan el
láser de KrF2.
 1977
Deacon y colaboradoras
construyen el primer láser de electrones
libres.

COLOFÓN

El interés que suscita el láser está en
relación directa con la enorme
importancia que su aplicación ha
cobrado en diversidad de actividades de
nuestra vida.
COLOFÓN

Al resolver un problema insoluble para la
física tradicional —cómo se distribuye la
energía de la radiación térmica en el
espectro electromagnético—, Max
Planck creó la mecánica cuántica, que
contribuyó decisivamente a la formación
de la física moderna.
COLOFÓN

La hipótesis de Planck introdujo un nuevo ente
físico, confirmado tanto por la evidencia
experimental como por los trabajos de
Einstein y Compton: el cuanto, corpúsculo
cuya energía interviene en los problemas de
los fenómenos de emisión y absorción de la
radiación electromagnética o fotón como la
unidad de energía liberada en ese paso de
electrones.
COLOFÓN

Así, la unidad de interacción átomo-fotón da
paso a un proceso llamado de emisión
estimulada propuesto por Albert Einstein en
1917 y que permitió la realización del láser,
que es un aparato diseñado para generar
ondas electromagnéticas en forma de haces
muy concentrados de luz coherente o en
concordancia, a diferencia de una fuente
luminosa que irradia luz de varias longitudes
de onda mezcladas.
 El láser tiene múltiples aplicaciones.
COLOFÓN

Se utiliza en la industria militar y de
armamentos; en tecnología de la
comunicación, cirugía, procesos
químicos e industriales; también
interviene en la creación de hologramas.
COLOFÓN

Se han tratado de resumir los
conocimientos sobre este rayo, su
origen, concepción y análisis de los
diferentes dispositivos; incluye una
cronología, una semblanza histórica y
diversidad de cuadros que muestran los
diversos tipos y usos de láser.
• “Tal vez alguno de ustedes, caballeros, pueda
decirme que es lo que hay en la parte exterior de la
ventana que lo hace tan atractivo”
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