LASER | Definición | Su funcionamiento | 4 Aplicaciones importantes

LÁSER

Contenido

¿Qué es un láser?

LASER son las siglas de “amplificación de luz por emisión estimulada de radiación“, Es un instrumento en el que la luz es emitida por el proceso de amplificación óptica a través de la emisión estimulada de radiación electromagnética. El primer láser ha sido inventado y diseñado por Theodore Maiman en el año 1960, El diseño de este instrumento fue influenciado por los trabajos teóricos de Charles Hard Townes y Arthur Leonard Schawlow y La luz emitida por un láser es de naturaleza coherente, es decir, la fase- La diferencia también es constante. Este dispositivo se utiliza para una amplia variedad de aplicaciones en el campo de la medicina, investigación, fabricación, militar, etc.

láser
Fuente de imagen: 彭家杰Módulo láserCC BY-SA 3.0

¿Qué es la emisión estimulada??

Un electrón presente que ocupa un estado de menor energía absorbe parte de la energía externa presente en forma de luz (fotones) o calor (fonones) para ocupar un estado de mayor energía y esta transición electrónica de un estado a otro solo es posible cuando las energías del fotón o fonón es igual a la diferencia de energía entre estos 2 estados. Por lo tanto, estos electrones o átomos son capaces de absorber solo una frecuencia específica de luz para la transición.

Los electrones no pueden permanecer en el estado de excitación superior para siempre. Tienden a volver a su estado fundamental. Estos electrones a veces son influenciados externamente para caer de un estado excitado más alto a un estado excitado o estado fundamental más bajo. El fotón emitido después de la transición alto-bajo coincide con el fotón suministrado externamente en términos de dirección, fase y longitud de onda. Este proceso de liberación de fotones se denomina emisión estimulada y constituye la base del trabajo con láser.

Para la emisión estimulada, el primer requisito es excitar los electrones o los átomos con la ayuda de un medio de ganancia, porque en un medio normal el número de átomos en el estado de menor energía es mayor que en los estados de mayor energía en la condición de equilibrio térmico. por tanto, la tasa de absorción excede la tasa de emisión estimulada en los medios normales.

Demostración de emisión estimulada, fuente de imagen: V1adis1av contribuciones), Emision estimuladaCC BY-SA 4.0

¿Qué es un maser?

MASER o “Amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación.“, Es un dispositivo en el que se genera una emisión electromagnética coherente de microondas por amplificación a través del modo de emisión estimulada. Maser lo ha inventado en la Universidad de Columbia, en 1953, por el científico James P. Gordon, Charles H. Townes y Herbert J. Zeiger. Los masers tienen sus aplicaciones en dispositivos como relojes atómicos y radiotelescopios. Los masers también pueden producir radiaciones electromagnéticas pertenecientes al rango de radio e infrarrojos.

Una descarga de radiofrecuencia de hidrógeno en un máser de hidrógeno. Fuente de imagen: Cortesía NASA/JPL,Caltech
Maser de hidrógeno

¿Cuál es la diferencia entre un láser y un maser?

Laser vs Maser

LÁSERMASER
Este instrumento produce una emisión electromagnética coherente en un amplio rango de frecuencias (principalmente la frecuencia visible, UV e IR).Maser produce una emisión electromagnética coherente que tiene una frecuencia en el rango de frecuencia de radio y microondas.
Este instrumento se utiliza para una amplia variedad de aplicaciones en el campo de la medicina, investigación, fabricación, militar, etc.Este instrumento se utiliza principalmente para comunicaciones por microondas y en varios instrumentos astronómicos.
Este instrumento comúnmente funciona excitando átomos de helio, neón, dióxido de carbono, etc.Este instrumento comúnmente funciona excitando átomos de amoníaco, hidrógeno, etc.

¿Qué es un medio amplificador?

En los láseres, el medio amplificador o medio de ganancia óptica es un material que amplifica la potencia del haz de luz generado. El medio de ganancia compensa la pérdida de potencia debida al resonador. El medio de ganancia amplifica la luz absorbiendo energía a través del proceso de bombeo eléctrico (o en ocasiones bombeo óptico). El medio de ganancia puede ser de varios tipos, como Nd: YAG (granate de itrio aluminio dopado con neodimio Láseres YAG) medio, Yb: medio YAG (YAG dopado con iterbio), medio semiconductor de arseniuro de galio, nitruro de galio o arseniuro de galio indio, medio de ganancia cerámica, medio de fibra óptica, etc.

¿Cómo funciona un láser?

Generalmente, estos instrumentos contienen un medio amplificador o de ganancia, un mecanismo de bombeo y un sistema para proporcionar retroalimentación óptica. Los láseres funcionan según el principio de absorción fotoeléctrica y emisión estimulada. Estos instrumentos tienen un medio de ganancia que puede ser un material sólido, líquido o gaseoso. Este medio recibe la energía externa y la dirige hacia los átomos o electrones para excitarlos a sus estados de energía superior y este material se puede ajustar en términos de forma y tamaño, concentración y pureza.

La inversión de población se refiere al estado en el que el número de partículas presentes en un estado de mayor excitación ha superado el número de partículas presentes en el estado de menor excitación. En este estado, las tasas de emisión de fotones estimulados excederán la tasa de energía absorbida por el electrón. Por tanto, el haz de luz emitido en forma de fotones se amplifica.

Hay una cavidad óptica dentro del dispositivo. Es principalmente un par de espejos (también llamados acopladores de salida) presentes en cada lado del medio de ganancia para hacer que el haz de luz rebote hacia adelante y hacia atrás a través del medio que se amplifica cada vez que golpea el espejo, y uno de los dos espejos está parcialmente transparente que permite que algo de luz escape a través de él y si los espejos presentes son curvos, la luz sale en forma de un haz estrecho y si los espejos son planos, el haz de luz se extiende.

Descripciones de componentes. : 1. El Gainmedium. 2. La energía de Bombeo. 3. El reflector alto. 4. Acoplador O / P. 5. el rayo de luz.
Fuente de imagen. Usuario: TatouteLáser CC BY-SA 3.0

¿Cuáles son los dos modos de funcionamiento de un láser?

El haz de luz coherente se puede generar en modo pulsado o en modo continuo.

Funcionamiento en modo pulsado de un láser:

En el modo pulsado, la potencia óptica sigue el patrón de un pulso y tiene una tasa de repetición basada en un cierto período de tiempo. El modo pulsado se utiliza para generar pulsos de alta potencia al reducir la tasa de pulsos. El proceso de ablación y perforación que requería salidas de alta potencia a menudo usaba el modo pulsado a la potencia máxima del pulso. Los procesos que requieren la aplicación de efectos ópticos no lineales utilizan el modo pulsado dependiendo de la potencia o energía máxima del pulso. A veces no se puede lograr la amplificación en modo continuo, por lo que se utiliza el modo pulsado.

Funcionamiento en modo continuo de un láser:

En modo continuo, la potencia de salida permanece constante a lo largo del tiempo. En este modo, la variación de frecuencia es insignificante y no influye en la aplicación de láser. Este modo requiere una fuente de bombeo constante para que se pueda lograr la inversión de población del medio amplificador. Bombear los láseres a altos niveles de potencia continuamente puede dañar el láser debido a un calentamiento excesivo. Por esta razón, el modo continuo tiene un nivel de salida de potencia limitado. Este modo se utiliza principalmente con fines experimentales y médicos.

¿Cuáles son las aplicaciones de los láseres?

Aplicaciones de los láseres

Aplicaciones militares del láser

Varios tipos de láseres, como los láseres de dióxido de carbono, que operan y emiten luz infrarroja, se utilizan para varias aplicaciones militares. La atmósfera de la tierra es comparativamente más transparente a los rayos de luz infrarroja. Por esta razón, estos láseres demuestran ser eficientes para la búsqueda de distancias militares utilizando métodos como LIDAR (detección de luz y distancia). El rayo láser proporciona información sobre las distancias del observador y la posición del objetivo.

Aplicaciones médicas del láser

Láseres IR, láseres excímeros utilizados en el campo médico.

Aplicaciones industriales (corte y soldadura) de láser

Los láseres proporcionan rayos de alta potencia que pueden ser efectivos para varias aplicaciones industriales como procesos de soldadura, procesos de grabado, procesos de granallado y taladrado, preparación de revestimientos y corte con láser para procesos de corte de metal duro o vidrio, etc. Hoy en día, estos instrumentos también se utilizan para limpieza de superficies que consiste en erradicar las impurezas y contaminantes de la superficie de un material. El co2 utilizados para el grabado en materiales y estos dispositivos también se utilizan en los procesos de fabricación selectiva de SLS o sinterización selectiva por láser.

Aplicaciones de investigación de láser

El procedimiento SILEX (Separación de isótopos por excitación láser) utilizado para enriquecer uranio también implica láser IR, varias otras aplicaciones importantes, como la fabricación de dispositivos de microfluidos, también implica el uso de estos instrumentos, ya que el plástico común poli (metacrilato de metilo) es un buen absorbente. de ondas IR.

Para saber más sobre el láser visite aquí

Sobre Sanchari Chakraborty

Soy un estudiante entusiasta, actualmente invertido en el campo de la Óptica Aplicada y la Fotónica. También soy miembro activo de SPIE (Sociedad internacional de óptica y fotónica) y OSI (Sociedad óptica de India). Mis artículos tienen como objetivo sacar a la luz temas de investigación científica de calidad de una manera simple pero informativa. La ciencia ha ido evolucionando desde tiempos inmemoriales. Por lo tanto, intento aprovechar la evolución y presentarla a los lectores.

Conectemos a través de https://www.linkedin.com/in/sanchari-chakraborty-7b33b416a/

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