Láser
Definición
Un láser es un dispositivo que emite luz a través de un proceso de amplificación óptica basado en la emisión estimulada de radiación electromagnética. El término "láser" se originó como un acrónimo de " amplificación de luz por emisión estimulada de radiación ". El primer láser fue construido en 1960 por Theodore H. Maiman en Hughes Research Laboratories, basado en el trabajo teórico de Charles Hard Townes y Arthur Leonard Schawlow.
Un láser difiere de otras fuentes de luz en que emite luz coherentemente , espacial y temporalmente. La coherencia espacial permite que un láser se enfoque en un lugar estrecho, lo que permite aplicaciones como el corte por láser y la litografía. La coherencia espacial también permite que un rayo láser se mantenga estrecho a grandes distancias (colimación), permitiendo aplicaciones como punteros láser. Los láseres también pueden tener una coherencia temporal alta, lo que les permite emitir luz con un espectro muy estrecho, es decir, pueden emitir un solo color de luz. La coherencia temporal se puede usar para producir pulsos de luz tan cortos como un femtosegundo.
Entre sus muchas aplicaciones, los láseres se utilizan en unidades de discos ópticos, impresoras láser y escáneres de códigos de barras; Instrumentos de secuenciación de ADN, fibra óptica y comunicación óptica de espacio libre; cirugía láser y tratamientos de la piel; materiales de corte y soldadura; dispositivos militares y de aplicación de la ley para marcar objetivos y medir el alcance y la velocidad; y las pantallas de iluminación láser en el entretenimiento.
Fundamentos
Los láseres se distinguen de otras fuentes de luz por su coherencia. La coherencia espacial se expresa típicamente a través de la salida que es un haz estrecho, que está limitado por difracción. Los rayos láser se pueden enfocar a puntos muy pequeños, logrando una irradiación muy alta, o pueden tener una divergencia muy baja para concentrar su poder a una gran distancia.
La coherencia temporal (o longitudinal) implica una onda polarizada en una sola frecuencia cuya fase se correlaciona en una distancia relativamente grande (la longitud de coherencia) a lo largo del haz. Un haz producido por una fuente de luz térmica u otra fuente de luz incoherente tiene una amplitud y fase instantáneas que varían aleatoriamente con respecto al tiempo y la posición, teniendo así una longitud de coherencia corta.
Los láseres se caracterizan de acuerdo con su longitud de onda en el vacío. La mayoría de los láseres de "longitud de onda única" en realidad producen radiación en varios modos que tienen frecuencias ligeramente diferentes (longitudes de onda), a menudo no en una sola polarización. Aunque la coherencia temporal implica monocromaticidad, existen láseres que emiten un amplio espectro de luz o emiten diferentes longitudes de onda de luz simultáneamente. Hay algunos láseres que no son un único modo espacial y, en consecuencia, tienen rayos de luz que divergen más de lo que exige el límite de difracción. Sin embargo, todos estos dispositivos se clasifican como "láseres" en función de su método de producción de luz, es decir, emisión estimulada. Los láseres se emplean en aplicaciones en las que la luz de la coherencia espacial o temporal requerida no puede producirse utilizando tecnologías más simples.
Terminología
La palabra láser comenzó como un acrónimo de "amplificación de luz por emisión estimulada de radiación". En este uso, el término "luz" incluye radiación electromagnética de cualquier frecuencia, no solo luz visible, de ahí los términos láser infrarrojo , láser ultravioleta , láser de rayos X , láser de rayos gamma , y así sucesivamente. Debido a que el antecesor de microondas del láser, el maser, se desarrolló primero, a los dispositivos de este tipo que funcionan en microondas y frecuencias de radio se les conoce como "masers" en lugar de "microdetectores de microondas" o "láseres de radio". En la literatura técnica temprana, especialmente en Bell Telephone Laboratories, el láser se llamaba maser óptico ;
Un láser que produce luz por sí mismo es técnicamente un oscilador óptico en lugar de un amplificador óptico como lo sugiere el acrónimo. Se ha observado con humor que el acrónimo LOSER, para "oscilación ligera por emisión estimulada de radiación", habría sido más correcto. Con el uso generalizado del acrónimo original como nombre común, los amplificadores ópticos se conocen como "amplificadores láser", a pesar de la aparente redundancia en esa designación.
El verbo " lase" con la parte posterior se usa con frecuencia en el campo, lo que significa "producir luz láser", especialmente en referencia al medio de ganancia de un láser; cuando un láser está funcionando se dice que está "láser". Se puede ver un uso adicional de las palabras láser y maser en un sentido amplio, que no se refiere a la tecnología o dispositivos láser, en usos tales como el maser astrofísico y el láser de átomos .
Diseño
Un láser consiste en un medio de ganancia, un mecanismo para energizarlo y algo para proporcionar retroalimentación óptica. El medio de ganancia es un material con propiedades que le permiten amplificar la luz a través de la emisión estimulada. La luz de una longitud de onda específica que pasa a través del medio de ganancia se amplifica (aumenta la potencia).
Para que el medio de ganancia amplifique la luz, necesita ser suministrada con energía en un proceso llamado bombeo. La energía se suministra típicamente como una corriente eléctrica o como luz a una longitud de onda diferente. La luz de la bomba puede ser proporcionada por una lámpara de flash o por otro láser.
El tipo más común de láser utiliza la retroalimentación de una cavidad óptica: un par de espejos en cada extremo del medio de ganancia. La luz rebota hacia adelante y hacia atrás entre los espejos, pasando por el medio de ganancia y amplificándose cada vez. Normalmente, uno de los dos espejos, el acoplador de salida, es parcialmente transparente. Algo de la luz se escapa a través de este espejo. Dependiendo del diseño de la cavidad (si los espejos son planos o curvos), la luz que sale del láser puede extenderse o formar un haz estrecho. En analogía a los osciladores electrónicos, este dispositivo a veces se denomina oscilador láser .
La mayoría de los láseres prácticos contienen elementos adicionales que afectan las propiedades de la luz emitida, como la polarización, la longitud de onda y la forma del haz.
Física de láser
Los electrones y la forma en que interactúan con los campos electromagnéticos son importantes en nuestra comprensión de la química y la física.
Emision estimulada
En la visión clásica, la energía de un electrón que orbita un núcleo atómico es más grande para las órbitas más allá del núcleo de un átomo. Sin embargo, los efectos mecánicos cuánticos obligan a los electrones a tomar posiciones discretas en los orbitales. Por lo tanto, los electrones se encuentran en niveles de energía específicos de un átomo, dos de los cuales se muestran a continuación:
Cuando un electrón absorbe energía de la luz (fotones) o calor (fonones), recibe ese quantum de energía incidente. Pero las transiciones solo se permiten entre niveles de energía discretos como los dos que se muestran arriba. Esto conduce a líneas de emisión y líneas de absorción.
Cuando un electrón se excita desde un nivel de energía inferior a uno superior, no permanecerá así para siempre. Un electrón en estado excitado puede decaer a un estado de energía inferior que no está ocupado, de acuerdo con una constante de tiempo particular que caracteriza esa transición. Cuando un electrón se descompone sin influencia externa, emitiendo un fotón, se llama "emisión espontánea". La fase asociada con el fotón que se emite es aleatoria. Un material con muchos átomos en tal estado excitado puede dar como resultado una radiación que está muy espectralmente limitada (centrada alrededor de una longitud de onda de luz), pero los fotones individuales no tendrían una relación de fase común y emanarían en direcciones aleatorias. Este es el mecanismo de fluorescencia y emisión térmica.
Un campo electromagnético externo a una frecuencia asociada con una transición puede afectar el estado mecánico cuántico del átomo. Como el electrón en el átomo hace una transición entre dos estados estacionarios (ninguno de los cuales muestra un campo dipolo), entra en un estado de transición que sí tiene un campo dipolo, y que actúa como un pequeño dipolo eléctrico, y este dipolo oscila a frecuencia característica. En respuesta al campo eléctrico externo a esta frecuencia, la probabilidad de que el átomo entre en este estado de transición aumenta mucho. Por lo tanto, la tasa de transiciones entre dos estados estacionarios se mejora más allá de eso debido a la emisión espontánea. Tal transición al estado superior se llama absorción, y destruye un fotón incidente (la energía del fotón va a alimentar la energía incrementada del estado superior). Sin embargo, una transición del estado de energía más alto a uno más bajo produce un fotón adicional; este es el proceso de emisión estimulada .
Gain medium y cavity
El medio de ganancia se pone en un estado excitado por una fuente de energía externa. En la mayoría de los láseres, este medio consiste en una población de átomos que han sido excitados a tal estado por medio de una fuente de luz exterior, o un campo eléctrico que suministra energía para que los átomos lo absorban y se transformen en sus estados excitados.
El medio de ganancia de un láser es normalmente un material de pureza, tamaño, concentración y forma controlados, que amplifica el haz mediante el proceso de emisión estimulada descrito anteriormente. Este material puede ser de cualquier estado: gas, líquido, sólido o plasma. El medio de ganancia absorbe la energía de la bomba, lo que eleva algunos electrones a estados cuánticos de mayor energía ("excitados"). Las partículas pueden interactuar con la luz absorbiendo o emitiendo fotones. La emisión puede ser espontánea o estimulada. En este último caso, el fotón se emite en la misma dirección que la luz que pasa. Cuando el número de partículas en un estado excitado excede el número de partículas en algún estado de menor energía, se logra la inversión de la población y la cantidad de emisión estimulada debido a la luz que pasa es mayor que la cantidad de absorción. Por lo tanto, la luz se amplifica. Por sí mismo, esto hace un amplificador óptico. Cuando se coloca un amplificador óptico dentro de una cavidad óptica resonante, se obtiene un oscilador láser.
En algunas situaciones es posible obtener láser con solo una pasada de radiación EM a través del medio de ganancia, y esto produce un rayo láser sin necesidad de una cavidad resonante o reflectante (ver, por ejemplo, láser de nitrógeno). Por lo tanto, generalmente se requiere la reflexión en una cavidad resonante para un láser, pero no es absolutamente necesario.
El resonador óptico a veces se denomina "cavidad óptica", pero este es un nombre inapropiado: los láseres usan resonadores abiertos en oposición a la cavidad literal que se emplearía en las frecuencias de microondas en un maser. El resonador consiste típicamente en dos espejos entre los cuales un haz de luz coherente viaja en ambas direcciones, reflejándose sobre sí mismo de modo que un fotón promedio pasará a través del medio de ganancia repetidamente antes de que se emita desde la abertura de salida o se pierda por difracción o absorción. Si la ganancia (amplificación) en el medio es mayor que las pérdidas del resonador, entonces la potencia de la luz recirculante puede aumentar exponencialmente. Pero cada evento de emisión estimulada devuelve un átomo desde su estado excitado al estado fundamental, reduciendo la ganancia del medio. Al aumentar la potencia del haz, la ganancia neta (ganancia menos pérdida) se reduce a la unidad y se dice que el medio de ganancia está saturado. En un láser de onda continua (CW), el equilibrio de la potencia de la bomba contra la saturación de la ganancia y las pérdidas de la cavidad produce un valor de equilibrio de la potencia del láser dentro de la cavidad; este equilibrio determina el punto de funcionamiento del láser. Si la potencia de la bomba aplicada es demasiado pequeña, la ganancia nunca será suficiente para superar las pérdidas de la cavidad, y no se producirá la luz láser. La potencia mínima de la bomba necesaria para comenzar la acción del láser se llama Si la potencia de la bomba aplicada es demasiado pequeña, la ganancia nunca será suficiente para superar las pérdidas de la cavidad, y no se producirá la luz láser. La potencia mínima de la bomba necesaria para comenzar la acción del láser se llama Si la potencia de la bomba aplicada es demasiado pequeña, la ganancia nunca será suficiente para superar las pérdidas de la cavidad, y no se producirá la luz láser. La potencia mínima de la bomba necesaria para comenzar la acción del láser se llama umbral de acción láser . El medio de ganancia amplificará cualquier fotón que pase a través de él, independientemente de la dirección; pero solo los fotones en un modo espacial soportados por el resonador pasarán más de una vez a través del medio y recibirán una amplificación sustancial.
La luz emitida
La luz generada por la emisión estimulada es muy similar a la señal de entrada en términos de longitud de onda, fase y polarización. Esto le da a la luz láser su coherencia característica y le permite mantener la polarización uniforme y, a menudo, la monocromaticidad establecida por el diseño de la cavidad óptica.
El haz en la cavidad y el haz de salida del láser, cuando se viaja en espacio libre (o un medio homogéneo) en lugar de guías de ondas (como en un láser de fibra óptica), se puede aproximar como un haz gaussiano en la mayoría de los láseres; tales vigas exhiben la divergencia mínima para un diámetro dado. Sin embargo, algunos láseres de alta potencia pueden ser multimodo, con los modos transversales a menudo aproximados usando funciones Hermite-Gaussianas o Laguerre-Gaussianas. Se ha demostrado que los resonadores láser inestables (no utilizados en la mayoría de los láseres) producen haces en forma de fractal. Cerca de la "cintura" del rayo (o región focal) está muy colimado: los frentes de onda son planos, normales a la dirección de propagación, sin divergencia de haz en ese punto. Sin embargo, debido a la difracción, eso solo puede permanecer cierto dentro del rango de Rayleigh. El haz de un solo láser de modo transversal (haz gaussiano) eventualmente diverge en un ángulo que varía inversamente con el diámetro del haz, según lo requerido por la teoría de difracción. Por lo tanto, el "rayo de lápiz" generado directamente por un láser común de helio-neón se extendería a un tamaño de quizás 500 kilómetros cuando brillara en la Luna (desde la distancia de la tierra). Por otro lado, la luz de un láser semiconductor generalmente sale del pequeño cristal con una gran divergencia: hasta 50 °. Sin embargo, incluso un haz tan divergente puede transformarse en un haz similar colimado por medio de un sistema de lentes, como siempre se incluye, por ejemplo, en un puntero láser cuya luz proviene de un diodo láser. Eso es posible debido a que la luz es de un solo modo espacial. Esta propiedad única de la luz láser, coherencia espacial, no se puede replicar utilizando fuentes de luz estándar (excepto descartando la mayor parte de la luz) como se puede apreciar al comparar el haz de una linterna (antorcha) o reflector con el de casi cualquier láser.
Procesos de emisión cuánticos vs. clásicos
El mecanismo de producción de radiación en un láser se basa en la emisión estimulada, donde la energía se extrae de una transición en un átomo o molécula. Este es un fenómeno cuántico descubierto por Einstein que derivó la relación entre el coeficiente A que describe la emisión espontánea y el coeficiente B que se aplica a la absorción y la emisión estimulada. Sin embargo, en el caso del láser de electrones libre, los niveles de energía atómica no están involucrados; parece que la operación de este dispositivo bastante exótico puede explicarse sin referencia a la mecánica cuántica.
Modos de funcionamiento continuo y pulsado
Un láser puede clasificarse como operando en modo continuo o pulsado, dependiendo de si la salida de potencia es esencialmente continua en el tiempo o si su salida toma la forma de pulsos de luz en una u otra escala de tiempo. Por supuesto, incluso un láser cuya salida es normalmente continua puede encenderse y apagarse intencionalmente a cierta velocidad para crear pulsos de luz. Cuando la velocidad de modulación es en escalas de tiempo mucho más lentas que la vida útil de la cavidad y el período de tiempo durante el cual la energía puede almacenarse en el medio láser o mecanismo de bombeo, todavía se clasifica como láser de onda continua "modulada" o "pulsada". La mayoría de los diodos láser utilizados en los sistemas de comunicación caen en esa categoría.
Operación de onda continua
Algunas aplicaciones de láser dependen de un haz cuya potencia de salida sea constante a lo largo del tiempo. Tal láser se conoce como onda continua ( CW)) Se pueden hacer muchos tipos de láseres para operar en modo de onda continua para satisfacer tal aplicación. Muchos de estos láseres funcionan en varios modos longitudinales al mismo tiempo, y los latidos entre las frecuencias ópticas ligeramente diferentes de esas oscilaciones producirán de hecho variaciones de amplitud en escalas de tiempo más cortas que el tiempo de ida y vuelta (el recíproco del espaciado de frecuencia entre modos), típicamente unos pocos nanosegundos o menos. En la mayoría de los casos, estos láseres se denominan "onda continua" ya que su potencia de salida es estable cuando se promedia en períodos de tiempo más largos, con variaciones de potencia de muy alta frecuencia que tienen poco o ningún impacto en la aplicación prevista. (Sin embargo, el término no se aplica a los láseres con bloqueo de modo, donde la intención es crear pulsos muy cortos a la velocidad del tiempo de ida y vuelta).
Para la operación de onda continua, se requiere que la inversión de población del medio de ganancia se reponga continuamente mediante una fuente de bomba estable. En algunos medios de comunicación es imposible. En algunos otros láseres, sería necesario bombear el láser a un nivel de potencia continuo muy alto que sería poco práctico o destruir el láser produciendo calor excesivo. Tales láseres no se pueden ejecutar en modo CW.
Operación pulsada
La operación pulsada de láser se refiere a cualquier láser no clasificado como onda continua, por lo que la potencia óptica aparece en pulsos de cierta duración a alguna tasa de repetición. Esto abarca una amplia gama de tecnologías que abordan una serie de motivaciones diferentes. Algunos láseres son pulsados simplemente porque no se pueden ejecutar en modo continuo.
En otros casos, la aplicación requiere la producción de pulsos que tengan la mayor energía posible. Dado que la energía del pulso es igual a la potencia promedio dividida por la tasa de repetición, este objetivo a veces se puede satisfacer bajando la tasa de pulsos para que se pueda acumular más energía entre los pulsos. En la ablación con láser, por ejemplo, un pequeño volumen de material en la superficie de una pieza de trabajo puede evaporarse si se calienta en un tiempo muy corto, mientras que el suministro de energía gradualmente permitirá que el calor se absorba en la mayor parte del tiempo. pieza, nunca alcanzando una temperatura suficientemente alta en un punto particular.
Otras aplicaciones dependen de la potencia de pulso máxima (en lugar de la energía en el pulso), especialmente para obtener efectos ópticos no lineales. Para una energía de pulso dada, esto requiere crear impulsos de la duración más corta posible utilizando técnicas tales como la conmutación de Q.
El ancho de banda óptico de un pulso no puede ser más estrecho que el recíproco del ancho del pulso. En el caso de pulsos extremadamente cortos, eso implica un exceso de ancho de banda considerable, bastante contrario a los anchos de banda muy estrechos típicos de los láseres CW. El medio láser en algunos láseres de tinte y láseres vibrónicos de estado sólido produce una ganancia óptica en un ancho de banda amplio, lo que hace posible un láser que puede generar pulsos de luz tan breves como unos pocos femtosegundos (10 s).
Q-switching
En un láser Q-switched, la inversión de la población puede acumularse introduciendo una pérdida dentro del resonador que excede la ganancia del medio; esto también se puede describir como una reducción del factor de calidad o 'Q' de la cavidad. Luego, después de que la energía de la bomba almacenada en el medio láser se ha acercado al nivel máximo posible, el mecanismo de pérdida introducido (a menudo un elemento electroóptico o acústico) se elimina rápidamente (o eso ocurre por sí mismo en un dispositivo pasivo), lo que permite para comenzar, que obtiene rápidamente la energía almacenada en el medio de ganancia. Esto da como resultado un pulso corto que incorpora esa energía y, por lo tanto, una potencia máxima alta.
Modo de bloqueo
Un láser de modo bloqueado es capaz de emitir pulsos extremadamente cortos del orden de decenas de picosegundos por debajo de 10 femtosegundos. Estos pulsos se repetirán en el tiempo de ida y vuelta, es decir, el tiempo que tarda la luz en completar un viaje de ida y vuelta entre los espejos que comprenden el resonador. Debido al límite de Fourier (también conocido como incertidumbre de energía-tiempo), un pulso de tal longitud temporal corta tiene un espectro distribuido en un ancho de banda considerable. Por lo tanto, dicho medio de ganancia debe tener un ancho de banda de ganancia suficientemente amplio para amplificar esas frecuencias. Un ejemplo de un material adecuado es el zafiro dorado con titanio (Ti: zafiro) que tiene un ancho de banda de ganancia muy amplio y puede producir pulsos de solo unos pocos femtosegundos de duración.
Tales láseres de modo bloqueado son una herramienta muy versátil para investigar procesos que ocurren en escalas de tiempo extremadamente cortas (conocidas como física de femtosegundos, química de femtosegundos y ciencia ultrarrápida), para maximizar el efecto de la no linealidad en materiales ópticos (por ejemplo, en generación de segunda armónica, paramétrica conversión descendente, osciladores paramétricos ópticos y similares). Debido a la gran potencia de pico y la capacidad de generar trenes de pulsos de láser ultrarrápidos estabilizados en fase, los láseres ultrarrápidos de bloqueo de modo sustentan las aplicaciones de precisión de metrología y espectroscopia.
Bombeo pulsado
Otro método para lograr la operación del láser pulsado es bombear el material del láser con una fuente que se impulsa a sí misma, ya sea mediante carga electrónica en el caso de lámparas de destellos u otro láser que ya está pulsado. El bombeo pulsado se usó históricamente con los láseres de tinte donde la vida de la población invertida de una molécula de tinte era tan corta que se necesitaba una bomba de alta energía y rápida. La forma de superar este problema fue cargar condensadores grandes que luego se conmutan para descargar a través de lámparas de destello, produciendo un destello intenso. También se requiere el bombeo pulsado para los láseres de tres niveles en los que el nivel de energía más bajo se vuelve rápidamente muy poblado, previniendo la emisión ultrarrápida hasta que esos átomos se relajen al estado fundamental. Estos láseres, como el láser excimer y el láser de vapor de cobre, nunca se pueden operar en modo CW.
Historia
Cimientos
En 1917, Albert Einstein estableció los fundamentos teóricos para el láser y el maser en el papel Zur Quantentheorie der Strahlung (Sobre la Teoría Cuántica de la Radiación) a través de una re-derivación de la ley de radiación de Max Planck, basada conceptualmente en coeficientes de probabilidad (coeficientes de Einstein) para la absorción, emisión espontánea y emisión estimulada de radiación electromagnética. En 1928, Rudolf W. Ladenburg confirmó la existencia de los fenómenos de emisión estimulada y absorción negativa. En 1939, Valentin A. Fabrikant predijo el uso de la emisión estimulada para amplificar las ondas "cortas". En 1947, Willis E. Lamb y RC Retherford encontraron aparente emisión estimulada en espectros de hidrógeno y efectuaron la primera demostración de emisión estimulada. En 1950, Alfred Kastler (Premio Nobel de Física 1966) propuso el método de bombeo óptico, confirmado experimentalmente, dos años más tarde, por Brossel, Kastler e Winter.
Maser
En 1951, Joseph Weber presentó un documento sobre el uso de las emisiones estimuladas para hacer un amplificador de microondas para la Conferencia de Investigación del Tubo de Vacío del Instituto de Radioingenieros de junio de 1952 en Ottawa, Ontario, Canadá. Después de esta presentación, RCA le pidió a Weber que diera un seminario sobre esta idea, y Charles Hard Townes le pidió una copia del documento.
En 1953, Charles Hard Townes y los estudiantes graduados James P. Gordon y Herbert J. Zeiger produjeron el primer amplificador de microondas, un dispositivo que funciona con principios similares al láser, pero que amplifica la radiación de microondas en lugar de la radiación infrarroja o visible. El maser de Townes era incapaz de producción continua. Mientras tanto, en la Unión Soviética, Nikolay Basov y Aleksandr Prokhorov trabajaban independientemente en el oscilador cuántico y resolvían el problema de los sistemas de salida continua utilizando más de dos niveles de energía. Estos medios de ganancia podrían liberar emisiones estimuladas entre un estado excitado y un estado de excitación inferior, no el estado fundamental, lo que facilita el mantenimiento de una inversión de población. En 1955, Prokhorov y Basov sugirieron el bombeo óptico de un sistema multinivel como método para obtener la inversión de la población,
Townes informa que varios físicos eminentes, entre ellos Niels Bohr, John von Neumann y Llewellyn Thomas, argumentaron que el maestro violaba el principio de incertidumbre de Heisenberg y, por lo tanto, no podía trabajar. Otros, como Isidor Rabi y Polykarp Kusch, esperaban que no fuera práctico y que no valiera la pena el esfuerzo. En 1964 Charles H. Townes, Nikolay Basov y Aleksandr Prokhorov compartieron el Premio Nobel de Física, "por su trabajo fundamental en el campo de la electrónica cuántica, que ha llevado a la construcción de osciladores y amplificadores basados en el principio del láser maser".
Láser
En 1957, Charles Hard Townes y Arthur Leonard Schawlow, luego en los Bell Labs, comenzaron un estudio serio del láser infrarrojo. A medida que las ideas se desarrollaron, abandonaron la radiación infrarroja para concentrarse en la luz visible. El concepto originalmente se llamaba "maser óptico". En 1958, Bell Labs presentó una solicitud de patente para su maser óptico propuesto; y Schawlow y Townes enviaron un manuscrito de sus cálculos teóricos a Physical Review , publicado ese año en el Volumen 112, Número 6.
Simultáneamente, en la Universidad de Columbia, el estudiante graduado Gordon Gould estaba trabajando en una tesis doctoral sobre los niveles de energía del talio excitado. Cuando Gould y Townes se encontraron, hablaron de emisión de radiación, como un tema general; luego, en noviembre de 1957, Gould notó sus ideas para un "láser", incluido el uso de un resonador abierto (más tarde un componente esencial del dispositivo láser). Además, en 1958, Prokhorov propuso de forma independiente el uso de un resonador abierto, la primera aparición publicada (en la URSS) de esta idea. En otros lugares, en los EE. UU., Schawlow y Townes aceptaron un diseño de láser con resonador abierto, aparentemente ajeno a las publicaciones de Prokhorov y al trabajo láser inédito de Gould.
En una conferencia en 1959, Gordon Gould publicó el término LASER en el artículo The LASER, Amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación . La intención lingüística de Gould era usar la partícula de la palabra "-aser" como sufijo-para indicar con precisión el espectro de la luz emitida por el dispositivo LASER; por lo tanto, rayos X: xaser , ultravioleta: uvaser , etcétera; ninguno se estableció a sí mismo como un término discreto, aunque "raser" fue brevemente popular para denotar dispositivos emisores de radiofrecuencia.
Las notas de Gould incluyeron posibles aplicaciones para un láser, como espectrometría, interferometría, radar y fusión nuclear. Continuó desarrollando la idea, y presentó una solicitud de patente en abril de 1959. La Oficina de Patentes de los Estados Unidos denegó su solicitud y le otorgó una patente a Bell Labs en 1960. Eso provocó una demanda de veintiocho años, con prestigio científico y dinero como las apuestas. Gould ganó su primera patente menor en 1977, pero no fue hasta 1987 que ganó la primera victoria significativa en una demanda de patentes, cuando un juez federal ordenó a la Oficina de Patentes de los Estados Unidos que le otorgara patentes a Gould por los dispositivos láser de descarga de gas y de descarga óptica. La cuestión de cómo asignar crédito para inventar el láser sigue sin resolverse por los historiadores.
El 16 de mayo de 1960, Theodore H. Maiman operó el primer láser en funcionamiento en Hughes Research Laboratories, Malibú, California, por delante de varios equipos de investigación, incluidos los de Townes, en la Universidad de Columbia, Arthur Schawlow, en los laboratorios Bell y Gould, en la empresa TRG (Technical Research Group). El láser funcional de Maiman usó un cristal de rubí sintético bombeado con lámpara de estado sólido para producir luz láser roja, a una longitud de onda de 694 nanómetros; sin embargo, el dispositivo solo era capaz de funcionar con impulsos, debido a su esquema de diseño de bombeo de tres niveles. Más tarde ese año, el físico iraní Ali Javan, y William R. Bennett, y Donald Herriott, construyeron el primer láser de gas, utilizando helio y neón que era capaz de funcionar continuamente en el infrarrojo (Patente de los Estados Unidos 3.149.290); más tarde, Javan recibió el Premio Albert Einstein en 1993. Basov y Javan propusieron el concepto de diodo láser semiconductor. En 1962, Robert N. Hall demostró la primera dispositivo de diodo láser , hecho de arseniuro de galio y que emite a 850 nm en la banda infrarroja cercana del espectro. Más tarde ese año, Nick Holonyak, Jr. demostró el primer láser semiconductor con una emisión visible. Este primer láser semiconductor solo se podía usar en la operación de haz pulsado y cuando se enfriaba a temperaturas de nitrógeno líquido (77 K). En 1970, Zhores Alferov, en la URSS, e Izuo Hayashi y Morton Panish de Bell Telephone Laboratories también desarrollaron de forma independiente láseres de diodo de operación continua a temperatura ambiente, utilizando la estructura de heterounión.
Innovaciones recientes
Desde el inicio del período de la historia del láser, la investigación con láser ha producido una variedad de tipos de láser mejorados y especializados, optimizados para diferentes objetivos de rendimiento, que incluyen:
- nuevas bandas de longitud de onda
- Potencia de salida media máxima
- energía máxima del pulso máximo
- máxima potencia de pulso máxima
- duración mínima del impulso de salida
- ancho de línea mínimo
- máxima eficiencia energética
- costo mínimo
y esta investigación continúa hasta el día de hoy.
En 2017, los investigadores de TU Delft demostraron un láser de microondas de unión AC Josephson. Dado que el láser opera en el régimen superconductor, es más estable que otros láseres basados en semiconductores. El dispositivo tiene potencial para aplicaciones en computación cuántica. En 2017, los investigadores de TU Munich demostraron el láser de bloqueo de modo más pequeño capaz de emitir pares de impulsos láser de picosegundos de fase bloqueada con una frecuencia de repetición de hasta 200 GHz.
En 2017, investigadores del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), junto con investigadores estadounidenses de JILA, un instituto conjunto del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder, establecieron un nuevo récord mundial al desarrollar un láser de fibra dopada con erbio con un ancho de línea de solo 10 milihercios.
Tipos y principios de funcionamiento
Láser de gas
Después de la invención del láser de gas HeNe, se ha descubierto que muchas otras descargas de gases amplifican la luz de forma coherente. Los láseres de gas que utilizan muchos gases diferentes se han construido y utilizado para muchos propósitos. El láser de helio-neón (HeNe) es capaz de operar en varias longitudes de onda diferentes, sin embargo, la gran mayoría están diseñadas para lasear a 633 nm; estos láseres de costo relativamente bajo pero altamente coherentes son extremadamente comunes en la investigación óptica y laboratorios educativos. Los láseres comerciales de dióxido de carbono (CO
2 ) pueden emitir cientos de vatios en un único modo espacial que puede concentrarse en una pequeña mancha. Esta emisión está en el infrarrojo térmico a 10,6 μm; tales láseres se usan regularmente en la industria para cortar y soldar. La eficiencia de un CO 2 el láser es inusualmente alto: más del 30%. Los láseres de ion argón pueden funcionar en varias transiciones de láser entre 351 y 528.7 nm. Dependiendo del diseño óptico, una o más de estas transiciones pueden emitir simultáneamente; las líneas más comúnmente usadas son 458 nm, 488 nm y 514.5 nm. Una descarga eléctrica transversal de nitrógeno en un láser de gas a presión atmosférica (TEA) es un láser de gas económico, a menudo construido en casa por aficionados, que produce una luz ultravioleta bastante incoherente a 337,1 nm. Los láseres de iones metálicos son láseres de gas que generan longitudes de onda ultravioleta profundas. Helio-plata (HeAg) 224 nm y neón-cobre (NeCu) 248 nm son dos ejemplos. Al igual que todos los láseres de gas de baja presión, los medios de ganancia de estos láseres tienen anchos de línea de oscilación bastante estrechos, inferiores a 3 GHz (0,5 picómetros), lo que los hace aptos para su uso en la espectroscopía Raman con supresión de fluorescencia.
2 ) pueden emitir cientos de vatios en un único modo espacial que puede concentrarse en una pequeña mancha. Esta emisión está en el infrarrojo térmico a 10,6 μm; tales láseres se usan regularmente en la industria para cortar y soldar. La eficiencia de un CO 2 el láser es inusualmente alto: más del 30%. Los láseres de ion argón pueden funcionar en varias transiciones de láser entre 351 y 528.7 nm. Dependiendo del diseño óptico, una o más de estas transiciones pueden emitir simultáneamente; las líneas más comúnmente usadas son 458 nm, 488 nm y 514.5 nm. Una descarga eléctrica transversal de nitrógeno en un láser de gas a presión atmosférica (TEA) es un láser de gas económico, a menudo construido en casa por aficionados, que produce una luz ultravioleta bastante incoherente a 337,1 nm. Los láseres de iones metálicos son láseres de gas que generan longitudes de onda ultravioleta profundas. Helio-plata (HeAg) 224 nm y neón-cobre (NeCu) 248 nm son dos ejemplos. Al igual que todos los láseres de gas de baja presión, los medios de ganancia de estos láseres tienen anchos de línea de oscilación bastante estrechos, inferiores a 3 GHz (0,5 picómetros), lo que los hace aptos para su uso en la espectroscopía Raman con supresión de fluorescencia.
Láseres químicos
Los láseres químicos funcionan con una reacción química que permite que se libere una gran cantidad de energía rápidamente. Tales láseres de potencia muy alta son especialmente de interés para los militares, sin embargo, se han desarrollado láseres químicos de onda continua a niveles de potencia muy altos, alimentados por corrientes de gases, y tienen algunas aplicaciones industriales. Como ejemplos, en el láser de fluoruro de hidrógeno (2700-2900 nm) y el láser de fluoruro de deuterio (3800 nm) la reacción es la combinación de hidrógeno o gas de deuterio con productos de combustión de etileno en trifluoruro de nitrógeno.
Láser Excimer
Los láseres Excimer son un tipo especial de láser de gas alimentado por una descarga eléctrica en la que el medio láser es un excímero o, más exactamente, un exciplex en los diseños existentes. Estas son moléculas que solo pueden existir con un átomo en un estado electrónico excitado. Una vez que la molécula transfiere su energía de excitación a un fotón, por lo tanto, sus átomos ya no están unidos entre sí y la molécula se desintegra. Esto reduce drásticamente la población del estado de energía más baja, lo que facilita enormemente la inversión de la población. Los excimers actualmente usados son todos compuestos de gases nobles; los gases nobles son químicamente inertes y solo pueden formar compuestos en estado excitado. Los láseres excímeros típicamente operan a longitudes de onda ultravioleta con aplicaciones importantes, incluida la fotolitografía semiconductora y la cirugía ocular LASIK. Las moléculas excímeras comúnmente usadas incluyen ArF (emisión a 193 nm), KrCl (222 nm), KrF (248 nm), XeCl (308 nm) y XeF (351 nm). El láser de flúor molecular, que emite a 157 nm en el ultravioleta de vacío a veces se conoce como un láser excimer, sin embargo, este parece ser un nombre inapropiado en la medida en que F2 es un compuesto estable.
Láser de estado sólido
Los láseres de estado sólido usan una varilla de vidrio o cristalina que está "dopada" con iones que proporcionan los estados de energía requeridos. Por ejemplo, el primer láser que funcionó fue un láser de rubí, hecho de rubí (corindón dopado con cromo). La inversión de la población se mantiene en realidad en el dopante. Estos materiales se bombean ópticamente utilizando una longitud de onda más corta que la longitud de onda láser, a menudo desde un tubo flash o desde otro láser. El uso del término "estado sólido" en física de láser es más estrecho que en el uso típico. Los láseres semiconductores (diodos láser) generalmente no se conocen como láseres de estado sólido.
El neodimio es un dopante común en varios cristales de láser en estado sólido, incluyendo ortovanadato de itrio (Nd: YVO
4 ), fluoruro de itrio y litio (Nd: YLF) y granate de itrio y aluminio (Nd: YAG). Todos estos láseres pueden producir altas potencias en el espectro infrarrojo a 1064 nm. Se utilizan para cortar, soldar y marcar metales y otros materiales, y también en espectroscopía y para bombear láseres de tinte. Estos láseres también suelen duplicarse, triplicarse o cuadruplicarse para producir haces de 532 nm (verde, visible), 355 nm y 266 nm (UV), respectivamente. Los láseres de estado sólido bombeados por diodo duplicados en frecuencia (DPSS) se utilizan para hacer punteros láser verdes brillantes.
4 ), fluoruro de itrio y litio (Nd: YLF) y granate de itrio y aluminio (Nd: YAG). Todos estos láseres pueden producir altas potencias en el espectro infrarrojo a 1064 nm. Se utilizan para cortar, soldar y marcar metales y otros materiales, y también en espectroscopía y para bombear láseres de tinte. Estos láseres también suelen duplicarse, triplicarse o cuadruplicarse para producir haces de 532 nm (verde, visible), 355 nm y 266 nm (UV), respectivamente. Los láseres de estado sólido bombeados por diodo duplicados en frecuencia (DPSS) se utilizan para hacer punteros láser verdes brillantes.
El iterbio, el holmio, el tulio y el erbio son otros "dopantes" comunes en los láseres de estado sólido. El iterbio se utiliza en cristales como Yb: YAG, Yb: KGW, Yb: KYW, Yb: SYS, Yb: BOYS, Yb: CaF 2 , que típicamente operan alrededor de 1020-1050 nm. Son potencialmente muy eficientes y de alta potencia debido a un pequeño defecto cuántico. Se pueden lograr potencias extremadamente altas en pulsos ultracortos con Yb: YAG. Los cristales de YAG dopados con holmio emiten a 2097 nm y forman un láser eficiente que opera en longitudes de onda infrarrojas fuertemente absorbidas por los tejidos acuíferos. El Ho-YAG generalmente se opera en modo pulsado y se pasa a través de dispositivos quirúrgicos de fibra óptica para restaurar la superficie de las articulaciones, eliminar la podredumbre de los dientes, vaporizar cánceres y pulverizar cálculos renales y biliares.
El zafiro dopado con titanio (Ti: zafiro) produce un láser infrarrojo altamente ajustable, comúnmente utilizado para la espectroscopía. También es notable su uso como un láser bloqueado en modo que produce pulsos ultracortos de potencia máxima extremadamente alta.
Las limitaciones térmicas en los láseres de estado sólido surgen de la potencia de la bomba no convertida que calienta el medio. Este calor, cuando se combina con un alto coeficiente termo-óptico (d n / d T ) puede causar lentes térmicos y reducir la eficiencia cuántica. Los láseres de disco delgados bombeados con diodo superan estos problemas al tener un medio de ganancia que es mucho más delgado que el diámetro del haz de la bomba. Esto permite una temperatura más uniforme en el material. Se ha demostrado que los láseres de disco delgado producen haces de hasta un kilovatio.
Láser de fibra
Los láseres de estado sólido o los amplificadores de láser en los que la luz es guiada debido a la reflexión interna total en una fibra óptica monomodo se denominan en su lugar láseres de fibra. El guiado de la luz permite regiones de ganancia extremadamente largas que proporcionan buenas condiciones de enfriamiento; las fibras tienen una alta relación de área superficial a volumen que permite un enfriamiento eficiente. Además, las propiedades de la guía de onda de la fibra tienden a reducir la distorsión térmica del haz. Los iones de erbio e iterbio son especies activas comunes en tales láseres.
Muy a menudo, el láser de fibra está diseñado como una fibra de doble revestimiento. Este tipo de fibra consiste en un núcleo de fibra, un revestimiento interno y un revestimiento exterior. El índice de las tres capas concéntricas se elige para que el núcleo de la fibra actúe como una fibra monomodo para la emisión del láser, mientras que el revestimiento exterior actúa como un núcleo altamente multimodo para el láser de la bomba. Esto permite que la bomba propague una gran cantidad de energía hacia y a través de la región del núcleo interno activo, a la vez que tiene una gran apertura numérica (NA) para tener condiciones de lanzamiento fáciles.
La luz de la bomba se puede usar de manera más eficiente al crear un láser de disco de fibra o una pila de tales láseres.
Los láseres de fibra tienen un límite fundamental porque la intensidad de la luz en la fibra no puede ser tan alta que las no linealidades ópticas inducidas por la intensidad del campo eléctrico local puedan volverse dominantes y evitar el funcionamiento del láser y / o la destrucción material de la fibra. Este efecto se llama fotorretardeo. En los materiales láser a granel, el enfriamiento no es tan eficiente y es difícil separar los efectos de la fotodecoración de los efectos térmicos, pero los experimentos en fibras muestran que la fotodestrucción puede atribuirse a la formación de centros de color de larga vida.
Láser de cristal fotónico
Los láseres de cristal fotónico son láseres basados en nanoestructuras que proporcionan el confinamiento de modo y la estructura de densidad de estados ópticos (DOS) necesarios para que se produzca la retroalimentación. Son típicos del tamaño de un micrómetro y se pueden ajustar en las bandas de los cristales fotónicos.
Láseres semiconductores
Los láseres de semiconductores son diodos que se bombean eléctricamente. La recombinación de electrones y agujeros creados por la corriente aplicada introduce ganancia óptica. La reflexión desde los extremos del cristal forma un resonador óptico, aunque el resonador puede ser externo al semiconductor en algunos diseños.
Los diodos láser comerciales emiten a longitudes de onda de 375 nm a 3500 nm. Los diodos láser de potencia baja a media se utilizan en punteros láser, impresoras láser y reproductores de CD / DVD. Los diodos láser también se utilizan con frecuencia para bombear ópticamente otros láseres con alta eficiencia. Los diodos láser industriales de mayor potencia, con una potencia de hasta 20 kW, se utilizan en la industria para corte y soldadura. Los láseres semiconductores de cavidad externa tienen un medio activo semiconductor en una cavidad más grande. Estos dispositivos pueden generar altas salidas de potencia con buena calidad de rayo, radiación de ancho de línea estrecha ajustable a longitudes de onda o pulsos láser ultracortos.
En 2012, Nichia y OSRAM desarrollaron y fabricaron diodos láser verdes comerciales de alta potencia (515/520 nm), que compiten con los láseres de estado sólido bombeados por diodo tradicionales.
Los láseres emisores de superficie de cavidad vertical (VCSEL) son láseres semiconductores cuya dirección de emisión es perpendicular a la superficie de la oblea. Los dispositivos VCSEL típicamente tienen un haz de salida más circular que los diodos láser convencionales. A partir de 2005, solo VCSEL de 850 nm están ampliamente disponibles, con VCSEL de 1300 nm que comienzan a comercializarse y dispositivos de 1550 nm como área de investigación. Los VECSEL son VCSEL de cavidad externa. Los láseres en cascada cuánticos son láseres semiconductores que tienen una transición activa entre las subbandas de energía de un electrón en una estructura que contiene varios pozos cuánticos.
El desarrollo de un láser de silicio es importante en el campo de la informática óptica. El silicio es el material de elección para los circuitos integrados, por lo que los componentes fotónicos de silicio y electrónicos (como las interconexiones ópticas) podrían fabricarse en el mismo chip. Desafortunadamente, el silicio es un material de láser difícil de tratar, ya que tiene ciertas propiedades que bloquean el láser. Sin embargo, recientemente los equipos han producido láseres de silicio a través de métodos tales como la fabricación del material láser de silicio y otros materiales semiconductores, como el fosfuro de indio (III) o el arseniuro de galio (III), materiales que permiten la producción de luz coherente a partir del silicio. Estos se llaman láser de silicio híbrido. Los últimos avances también han demostrado el uso de láseres de nanocables monolíticamente integrados directamente en el silicio para interconexiones ópticas, allanando el camino para aplicaciones de nivel de chip. Estos láseres de nanocables de heteroestructura capaces de interconexiones ópticas en silicio también son capaces de emitir pares de impulsos de picosegundos de fase bloqueada con una frecuencia de repetición de hasta 200 GHz, lo que permite el procesamiento de señales ópticas en el chip. Otro tipo es un láser Raman, que aprovecha la dispersión Raman para producir un láser a partir de materiales como el silicio.
En 1992, se demostró la pérdida de energía sin mantener el medio excitado en una inversión de población en gas de sodio y en 1995 en gas de rubidio por varios equipos internacionales. Esto se logró utilizando un maser externo para inducir "transparencia óptica" en el medio introduciendo y destructivamente interfiriendo las transiciones de electrones molidos entre dos caminos, de modo que la probabilidad de que los electrones de tierra absorban cualquier energía ha sido cancelada.
Tinte láser
Los láseres de colorante usan un medio orgánico como medio de ganancia. El amplio espectro de ganancia de tintes disponibles, o mezclas de tintes, permite que estos láseres sean altamente sintonizables, o que produzcan pulsos de muy corta duración (del orden de unos pocos femtosegundos). Aunque estos láseres sintonizables son principalmente conocidos en su forma líquida, los investigadores también han demostrado una emisión sintonizable de ancho de línea estrecho en configuraciones de oscilador dispersivo que incorporan medios de ganancia de colorante de estado sólido. En su forma más frecuente, estos láseres de tinte en estado sólido usan polímeros dopados con colorante como medios láser.
Láser de electrones libres
Los láseres de electrones libres (FEL, por sus siglas en inglés) generan una radiación coherente y de gran potencia que se puede ajustar ampliamente, que actualmente varía en longitud de onda desde microondas a través de radiación de terahercios e infrarrojo hasta el espectro visible, a rayos X blandos. Tienen el rango de frecuencia más amplio de cualquier tipo de láser. Si bien los haces de FEL comparten los mismos rasgos ópticos que otros láseres, como la radiación coherente, el funcionamiento de FEL es bastante diferente. A diferencia del gas, el líquido o el láser de estado sólido, que se basan en estados atómicos o moleculares, los FEL utilizan un haz de electrones relativista como medio láser, de ahí el término de electrón libre .
Medios exóticos
La búsqueda de un láser de alta energía cuántica mediante transiciones entre estados isoméricos de un núcleo atómico ha sido objeto de una amplia investigación académica desde principios de los años setenta. Gran parte de esto se resume en tres artículos de revisión. Esta investigación ha sido de alcance internacional, pero se basa principalmente en la antigua Unión Soviética y los Estados Unidos. Si bien muchos científicos siguen siendo optimistas de que un gran avance está cerca, todavía no se ha logrado un láser operacional de rayos gamma.
Algunos de los primeros estudios se dirigieron a pulsos cortos de neutrones que excitaban el estado del isómero superior en un sólido, por lo que la transición de rayos gamma podría beneficiarse del estrechamiento de línea del efecto Mössbauer. En conjunto, se esperaban varias ventajas del bombeo en dos etapas de un sistema de tres niveles. Se conjeturó que el núcleo de un átomo, incrustado en el campo cercano de una nube de electrones oscilante coherente impulsada por láser experimentaría un campo dipolo más grande que el del láser de conducción. Además, la no linealidad de la nube oscilante produciría armónicos espaciales y temporales, por lo que las transiciones nucleares de mayor multipolaridad también podrían ser impulsadas a múltiplos de la frecuencia del láser.
En septiembre de 2007, la BBC News informó que había especulaciones sobre la posibilidad de utilizar la aniquilación de positrones para impulsar un láser de rayos gamma muy poderoso. El Dr. David Cassidy de la Universidad de California en Riverside propuso que un solo láser de ese tipo podría usarse para encender una reacción de fusión nuclear, reemplazando los bancos de cientos de láseres actualmente empleados en experimentos de fusión de confinamiento inercial.
Los láseres de rayos X basados en el espacio bombeados por una explosión nuclear también se han propuesto como armas antimisiles. Tales dispositivos serían armas de una sola vez.
Las células vivas se han utilizado para producir luz láser. Las células fueron modificadas genéticamente para producir proteína verde fluorescente (GFP). El GFP se utiliza como el "medio de ganancia" del láser, donde tiene lugar la amplificación de la luz. Las células se colocaron luego entre dos pequeños espejos, de apenas 20 millonésimas de metro de diámetro, que actuaban como la "cavidad del láser" en la que la luz podía rebotar muchas veces a través de la célula. Al bañar la celda con luz azul, se pudo ver que emitía luz láser verde intensa y dirigida.
Usos
Cuando se inventaron los láseres en 1960, se los llamó "una solución que busca un problema". Desde entonces, se han vuelto omnipresentes, encontrando utilidad en miles de aplicaciones muy variadas en cada sección de la sociedad moderna, incluyendo electrónica de consumo, tecnología de la información, ciencia, medicina, industria, cumplimiento de la ley, entretenimiento y el ejército. La comunicación de fibra óptica con láser es una tecnología clave en las comunicaciones modernas, que permite servicios como Internet.
El primer uso de láseres en la vida cotidiana de la población general fue el escáner de códigos de barras de supermercado, introducido en 1974. El reproductor de discos láser, presentado en 1978, fue el primer producto de consumo exitoso en incluir un láser, pero el reproductor de discos compactos fue el primer láser -dispositivo equipado para convertirse en común, a partir de 1982 seguido en breve por impresoras láser.
Algunos otros usos son:
- Comunicaciones: además de la comunicación de fibra óptica, los láseres se utilizan para la comunicación óptica de espacio libre, incluida la comunicación láser en el espacio.
- Medicina: ver abajo.
- Industria: corte, soldadura, tratamiento térmico de materiales, marcado de piezas, medición sin contacto de piezas.
- Militar: objetivos de marcado, municiones de guía, defensa de misiles, contramedidas electroópticas (EOCM), lidar, tropas cegadoras. Vea abajo
- Aplicación de la ley: aplicación del tráfico LIDAR. Los láseres se utilizan para la detección latente de huellas dactilares en el campo de identificación forense
- Investigación: espectroscopia, ablación láser, recocido láser, dispersión láser, interferometría láser, lidar, microdisección de captura láser, microscopía de fluorescencia, metrología.
- Productos comerciales: impresoras láser, escáneres de código de barras, termómetros, punteros láser, hologramas, bubblegrams.
- Entretenimiento: discos ópticos, pantallas de iluminación láser
En 2004, excluyendo los diodos láser, se vendieron aproximadamente 131,000 láser con un valor de US $ 2,19 mil millones. En el mismo año, se vendieron aproximadamente 733 millones de láseres de diodo, valorados en $ 3.20 mil millones.
En medicina
Los láseres tienen muchos usos en medicina, incluida la cirugía láser (particularmente cirugía ocular), curación por láser, tratamiento de cálculos renales, oftalmoscopía y tratamientos cosméticos de la piel como acnetreatment, reducción de celulitis y estrías, y depilación.
Los láseres se usan para tratar el cáncer al reducir o destruir tumores o crecimientos precancerosos. Se usan con mayor frecuencia para tratar cánceres superficiales que se encuentran en la superficie del cuerpo o en el revestimiento de órganos internos. Se usan para tratar el cáncer de piel de células basales y las etapas iniciales de otros como el cáncer de pulmón de células cervicouterinas, peneanas, vaginales, vulvares y no pequeñas. La terapia con láser a menudo se combina con otros tratamientos, como cirugía, quimioterapia o radioterapia. La termoterapia intersticial inducida por láser (LITT), o la fotocoagulación con láser intersticial, usa láseres para tratar algunos cánceres mediante la hipertermia, que usa calor para reducir los tumores al dañar o destruir las células cancerosas. El láser es más preciso que la cirugía y causa menos daño, dolor, sangrado, hinchazón y cicatrices. Una desventaja es que los cirujanos deben tener entrenamiento especializado.
Como armas
Los láseres de todos menos los poderes más bajos pueden ser potencialmente utilizados como armas incapacitantes, a través de su capacidad para producir pérdida de visión temporal o permanente en diversos grados cuando se dirigen a los ojos. El grado, carácter y duración del deterioro de la visión causado por la exposición ocular a la luz láser varía con la potencia del láser, la longitud de onda, la colimación del haz, la orientación exacta del haz y la duración de la exposición. Los láseres de incluso una fracción de vatio en potencia pueden producir una pérdida de visión inmediata y permanente bajo ciertas condiciones, lo que hace que esos láseres sean armas potenciales no letales pero incapacitantes. La extrema desventaja que representa la ceguera inducida por el láser hace que el uso del láser incluso como armas no letales sea moralmente controvertido, y las armas diseñadas para causar ceguera han sido prohibidas por el Protocolo sobre armas láser cegadoras. Los incidentes de los pilotos expuestos al láser durante el vuelo han llevado a las autoridades de aviación a implementar procedimientos especiales para enfrentar dichos peligros.
Las armas láser capaces de dañar o destruir directamente a un objetivo en combate aún se encuentran en etapa experimental. La idea general del armamento con rayo láser es golpear a un objetivo con un tren de breves pulsos de luz. La rápida evaporación y expansión de la superficie causa ondas de choque que dañan al objetivo. La potencia necesaria para proyectar un rayo láser de alta potencia de este tipo está más allá del límite de la tecnología de potencia móvil actual, lo que favorece a los láseres dinámicos a gas con alimentación química. Los sistemas experimentales de ejemplo incluyen MIRACL y el láser táctico de alta energía.
Durante la década de 2000, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos trabajó en el Boeing YAL-1, un láser aerotransportado montado en un Boeing 747. Estaba destinado a ser utilizado para disparar misiles balísticos entrantes sobre territorio enemigo. En marzo de 2009, Northrop Grumman afirmó que sus ingenieros en Redondo Beach habían construido y probado con éxito un láser de estado sólido con alimentación eléctrica capaz de producir un haz de 100 kilovatios, lo suficientemente potente como para destruir un avión. Según Brian Strickland, gerente del programa Joint State Laser Láser de Alta Potencia del Ejército de los Estados Unidos, un láser alimentado eléctricamente puede montarse en un avión, barco u otro vehículo porque requiere mucho menos espacio para su equipo de soporte que un químico láser. Sin embargo, la fuente de una potencia eléctrica tan grande en una aplicación móvil seguía sin estar clara. Por último,
La Armada de los Estados Unidos está desarrollando un arma láser conocida como el Sistema de Armamento Láser o LaWS.
Aficiones
En los últimos años, algunos aficionados han tomado intereses en los láseres. Los láseres utilizados por los aficionados son generalmente de clase IIIa o IIIb (ver Seguridad), aunque algunos han hecho sus propios tipos de clase IV. Sin embargo, en comparación con otros aficionados, los aficionados al láser son mucho menos comunes, debido al costo y los peligros potenciales involucrados. Debido al costo de los láseres, algunos aficionados usan medios económicos para obtener láseres, como rescatar diodos láser de reproductores de DVD rotos (rojo), reproductores de Blu-ray (violeta) o incluso diodos láser de mayor potencia de quemadores de CD o DVD.
Los aficionados también han estado tomando láseres pulsados excedentes de aplicaciones militares retiradas y modificándolos para la holografía pulsada. Se han usado láseres pulsados de YAG y de rubí.
Ejemplos por poder
Diferentes aplicaciones necesitan láseres con diferentes potencias de salida. Los láseres que producen un rayo continuo o una serie de pulsos cortos se pueden comparar en función de su potencia promedio. Los láseres que producen pulsos también se pueden caracterizar en función de la potencia máxima de cada pulso. La potencia máxima de un láser pulsado es muchos órdenes de magnitud mayor que su potencia promedio. La potencia de salida promedio es siempre menor que la potencia consumida.
| Poder | Utilizar |
|---|---|
| 1-5 mW | Punteros láser |
| 5 mW | Lector de CD ROM |
| 5-10 mW | Reproductor de DVD o unidad de DVD-ROM |
| 100 mW | Quemador CD-RW de alta velocidad |
| 250 mW | Grabador de consumo 16 × DVD-R |
| 400 mW | Ardor a través de una caja de joyas, incluido el disco, en 4 segundos |
| Grabación de doble capa DVD 24 ×. | |
| 1 W | Láser verde en desarrollo de prototipo de disco versátil holográfico actual |
| 1-20 W | Salida de la mayoría de los láseres de estado sólido comercialmente disponibles utilizados para micromecanizado |
| 30-100 W | Láseres quirúrgicos sellados típicos de CO 2 |
| 100-3000 W | Típicos sellados CO 2 láseres utilizados en corte por láser industrial |
Ejemplos de sistemas pulsados con alta potencia de pico:
- 700 TW (700 × 10 W) - National Ignition Facility, un sistema láser de 192 haces y 1,8 megajulios junto a una cámara objetivo de 10 metros de diámetro.
- 1.3 PW (1.3 × 10 W): el láser más poderoso del mundo desde 1998, ubicado en el Lawrence Livermore Laboratory
La seguridad
Incluso el primer láser fue reconocido como potencialmente peligroso. Theodore Maiman caracterizó el primer láser como tener un poder de un "Gillette", ya que podía quemar a través de una cuchilla de afeitar Gillette. Hoy en día, se acepta que incluso los láseres de baja potencia con solo unos pocos milivatios de potencia de salida pueden ser peligrosos para la vista humana cuando el rayo golpea el ojo directamente o después de reflejarse desde una superficie brillante. En longitudes de onda que la córnea y la lente pueden enfocar bien, la coherencia y la baja divergencia de la luz láser permiten que el ojo la enfoque en una mancha extremadamente pequeña en la retina, lo que produce quema localizada y daño permanente en segundos o incluso menos hora.
Los láseres generalmente están etiquetados con un número de clase de seguridad, que identifica qué tan peligroso es el láser:
- La clase 1 es inherentemente segura, generalmente porque la luz está contenida en un recinto, por ejemplo, en reproductores de CD.
- Clase 2 es seguro durante el uso normal; el reflejo parpadeante del ojo evitará daños. Por lo general, hasta 1 mW de potencia, por ejemplo, punteros láser.
- Los láseres de Clase 3R (anteriormente IIIa) suelen tener hasta 5 mW e implican un pequeño riesgo de daño ocular dentro del tiempo del reflejo de parpadeo. Mirar fijamente dentro de ese rayo durante varios segundos es probable que cause daño a una mancha en la retina.
- La clase 3B puede causar daño ocular inmediato al exponerse.
- Los láseres de Clase 4 pueden quemar la piel y, en algunos casos, incluso la luz dispersa puede causar daño a los ojos y / o la piel. Muchos láser industriales y científicos pertenecen a esta clase.
Las potencias indicadas son para láseres de onda continua de luz visible. Para los láseres pulsados y las longitudes de onda invisibles, se aplican otros límites de potencia. Las personas que trabajan con láseres de clase 3B y clase 4 pueden proteger sus ojos con gafas de seguridad diseñadas para absorber la luz de una determinada longitud de onda.
Los láseres infrarrojos con longitudes de onda superiores a 1,4 micrómetros a menudo se denominan "seguros para los ojos", ya que la córnea tiende a absorber la luz en estas longitudes de onda, protegiendo la retina del daño. Sin embargo, la etiqueta "segura para los ojos" puede ser engañosa, ya que solo se aplica a haces de onda continua de potencia relativamente baja; un láser de alta potencia o Q-switched en estas longitudes de onda puede quemar la córnea, causando daño severo a los ojos, e incluso los láseres de potencia moderada pueden dañar el ojo.