Desde la invención del láser en 1958 se han desarrollado muchas aplicaciones científicas, militares, médicas y comerciales. La coherencia , la alta monocromaticidad y la capacidad de alcanzar potencias extremadamente altas son propiedades que permiten estas aplicaciones especializadas.
En ciencia, los láseres se utilizan de muchas maneras, entre ellas:
Los láseres también se pueden utilizar indirectamente en espectroscopia como sistema de micromuestreo, una técnica denominada ablación láser (LA), que normalmente se aplica a aparatos ICP-MS, lo que da como resultado el potente LA-ICP-MS.
Demtröder analiza los principios de la espectroscopia láser. [2]
La mayoría de los tipos de láser son una fuente de luz inherentemente pura; Emiten luz casi monocromática con un rango de longitudes de onda muy bien definido . Mediante un diseño cuidadoso de los componentes del láser, la pureza de la luz láser (medida como " ancho de línea ") se puede mejorar más que la pureza de cualquier otra fuente de luz. Esto convierte al láser en una fuente muy útil para la espectroscopia . La alta intensidad de luz que se puede lograr en un haz pequeño y bien colimado también se puede utilizar para inducir un efecto óptico no lineal en una muestra, lo que hace posibles técnicas como la espectroscopia Raman . Se pueden utilizar otras técnicas espectroscópicas basadas en láseres para fabricar detectores extremadamente sensibles de diversas moléculas, capaces de medir concentraciones moleculares en el nivel de partes por 10 12 (ppt). Debido a las altas densidades de potencia que pueden alcanzar los láseres, es posible la emisión atómica inducida por haz: esta técnica se denomina espectroscopia de ruptura inducida por láser (LIBS).
El tratamiento térmico con láser permite el endurecimiento selectivo de la superficie contra el desgaste con poca o ninguna distorsión del componente. Debido a que esto elimina gran parte del retrabajo de piezas que se realiza actualmente, el costo de capital del sistema láser se recupera en poco tiempo. También se ha desarrollado un recubrimiento inerte y absorbente para tratamiento térmico con láser que elimina los humos generados por las pinturas convencionales durante el proceso de tratamiento térmico con rayos láser de CO 2 .
Una consideración crucial para el éxito de una operación de tratamiento térmico es el control de la irradiancia del rayo láser sobre la superficie de la pieza. La distribución óptima de la irradiancia está determinada por la termodinámica de la interacción láser-material y por la geometría de la pieza.
Normalmente, las irradiancias entre 500 y 5000 W/cm^2 satisfacen las limitaciones termodinámicas y permiten un calentamiento rápido de la superficie y una entrada de calor total mínima requerida. Para el tratamiento térmico general, una viga uniforme cuadrada o rectangular es una de las mejores opciones. Para algunas aplicaciones especiales o aplicaciones en las que el tratamiento térmico se realiza en un borde o esquina de la pieza, puede ser mejor que la irradiancia disminuya cerca del borde para evitar que se derrita.
Las investigaciones muestran que algún día los científicos podrán inducir lluvias y tormentas eléctricas (así como micromanipular algunos otros fenómenos climáticos) utilizando láseres de alta energía . Un avance de este tipo podría potencialmente erradicar las sequías , ayudar a aliviar catástrofes relacionadas con el clima y asignar recursos climáticos a áreas necesitadas. [3] [4]
Cuando los astronautas del Apolo visitaron la Luna, colocaron conjuntos de retrorreflectores para hacer posible el Experimento de alcance láser lunar . Los rayos láser se enfocan a través de grandes telescopios en la Tierra dirigidos hacia los conjuntos, y se mide el tiempo que tarda el rayo en reflejarse de regreso a la Tierra para determinar la distancia entre la Tierra y la Luna con alta precisión.
Algunos sistemas láser, mediante el proceso de bloqueo de modo , pueden producir pulsos de luz extremadamente breves, tan cortos como picosegundos o femtosegundos (10 −12 - 10 −15 segundos). Estos pulsos se pueden utilizar para iniciar y analizar reacciones químicas, una técnica conocida como fotoquímica . Los pulsos cortos se pueden utilizar para sondear el proceso de la reacción con una resolución temporal muy alta, lo que permite la detección de moléculas intermedias de vida corta. Este método es particularmente útil en bioquímica , donde se utiliza para analizar detalles del plegamiento y función de las proteínas.
Los lectores de códigos de barras láser son ideales para aplicaciones que requieren lectura de alta velocidad de códigos lineales o símbolos apilados.
Una técnica que ha tenido éxito reciente es el enfriamiento por láser . Se trata de la captura de átomos , un método en el que varios átomos se confinan en una disposición de campos eléctricos y magnéticos con una forma especial . Al hacer brillar longitudes de onda de luz particulares sobre los iones o átomos, los ralentiza y, por lo tanto, los enfría . A medida que este proceso continúa, todos se ralentizan y tienen el mismo nivel de energía, formando una disposición inusual de materia conocida como condensado de Bose-Einstein .
Algunas de las disposiciones más potentes y complejas del mundo de múltiples láseres y amplificadores ópticos se utilizan para producir pulsos de luz de intensidad extremadamente alta y de duración extremadamente corta, por ejemplo, laboratorio de energía láser , National Ignition Facility , GEKKO XII , láser Nike , Laser Mégajoule , HiPER. . Estos pulsos están dispuestos de manera que impacten bolitas de tritio - deuterio simultáneamente desde todas las direcciones, con la esperanza de que el efecto de compresión de los impactos induzca la fusión atómica en las bolitas. Esta técnica, conocida como " fusión por confinamiento inercial ", hasta el momento no ha logrado alcanzar el "punto de equilibrio", es decir, hasta ahora la reacción de fusión genera menos energía que la que se utiliza para alimentar los láseres, pero la investigación continúa.
Los potentes láseres que producen pulsos láser ultracortos (de decenas de femtosegundos) y ultraintensos ( hasta 10 23 W/cm 2 ) ofrecen gradientes de aceleración mucho mayores que los de los aceleradores convencionales . Este hecho se aprovecha en varias técnicas de aceleración de plasma utilizadas para acelerar tanto electrones como iones cargados a altas energías.
La microscopía de barrido láser confocal y la microscopía de excitación de dos fotones utilizan láseres para obtener imágenes nítidas de muestras gruesas a distintas profundidades. La microdisección por captura con láser utiliza láseres para obtener poblaciones de células específicas de una sección de tejido bajo visualización microscópica.
Otras técnicas de microscopía láser incluyen microscopía armónica, microscopía de mezcla de cuatro ondas [5] y microscopía interferométrica. [6]
Un arma láser es un arma de energía dirigida basada en láseres .
Las aplicaciones de contramedidas defensivas pueden variar desde contramedidas infrarrojas compactas y de baja potencia hasta sistemas láser aéreos de alta potencia. Los sistemas de contramedidas por infrarrojos utilizan láseres para confundir las cabezas buscadoras de los misiles guiados por infrarrojos .
Algunas armas simplemente usan un láser para desorientar a una persona. Una de esas armas es el Thales Green Laser Optical Warner. [7]
La guía láser es una técnica para guiar un misil u otro proyectil o vehículo hacia un objetivo mediante un rayo láser.
Otro uso militar de los láseres es como designador de objetivos láser . Se trata de un puntero láser de baja potencia que se utiliza para indicar el objetivo de una munición guiada con precisión , normalmente lanzada desde un avión. La munición guiada ajusta su trayectoria de vuelo a la luz láser reflejada por el objetivo, lo que permite una gran precisión al apuntar. El rayo del designador de objetivos láser se configura a una frecuencia de pulso que coincide con la establecida en la munición guiada para garantizar que las municiones alcancen sus objetivos designados y no sigan otros rayos láser que puedan estar en uso en el área. El designador láser puede apuntar al objetivo desde un avión o desde la infantería cercana. Los láseres utilizados para este fin suelen ser láseres infrarrojos , por lo que el enemigo no puede detectar fácilmente la luz láser guía.
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En la mayoría de las aplicaciones de armas de fuego, el láser se ha utilizado como herramienta para mejorar la orientación de otros sistemas de armas. Por ejemplo, una mira láser es un láser pequeño, generalmente de luz visible, que se coloca en una pistola o un rifle y se alinea para emitir un rayo paralelo al cañón. Dado que un rayo láser tiene poca divergencia, la luz láser aparece como un pequeño punto incluso a largas distancias; el usuario coloca el punto en el objetivo deseado y el cañón del arma está alineado (pero no necesariamente teniendo en cuenta la caída de la bala , la resistencia al viento , la distancia entre la dirección del haz y el eje del cañón y la movilidad del objetivo mientras viaja la bala). ).
La mayoría de las miras láser utilizan un diodo láser rojo. Otros utilizan un diodo infrarrojo para producir un punto invisible al ojo humano pero detectable con dispositivos de visión nocturna. El módulo de luz láser LLM01 del módulo de adquisición de objetivos adaptable para armas de fuego combina diodos láser visibles e infrarrojos. A finales de la década de 1990, estuvieron disponibles miras láser de estado sólido bombeado por diodo verde (DPSS) (532 nm).
La Fuerza Aérea de EE. UU. desarrolló un arma láser no letal para perjudicar temporalmente la capacidad de un adversario para disparar un arma o amenazar de otro modo a las fuerzas enemigas. Esta unidad ilumina a un oponente con una luz láser inofensiva de baja potencia y puede tener el efecto de deslumbrarlo o desorientarlo o hacer que huya. Ahora hay disponibles varios tipos de deslumbrantes y algunos se han utilizado en combate.
Sigue existiendo la posibilidad de utilizar láseres para cegar, ya que esto requiere niveles de potencia relativamente bajos y se puede lograr fácilmente en una unidad portátil. Sin embargo, la mayoría de las naciones consideran que el cegamiento permanente y deliberado del enemigo está prohibido por las reglas de la guerra (ver Protocolo sobre armas láser cegadoras ). Aunque varias naciones han desarrollado armas láser cegadoras, como la ZM-87 de China , se cree que ninguna de ellas ha superado la etapa de prototipo.
Además de las aplicaciones que se cruzan con las militares, un uso ampliamente conocido de los láseres por parte de las fuerzas del orden es el lidar para medir la velocidad de los vehículos.
Una mira de arma holográfica utiliza un diodo láser para iluminar un holograma de una retícula integrada en una ventana óptica de vidrio plano de la mira. El usuario mira a través de la ventana óptica y ve una imagen de retícula en forma de cruz superpuesta a distancia en el campo de visión . [8]
Las aplicaciones del láser industrial se pueden dividir en dos categorías según la potencia del láser: procesamiento de materiales y procesamiento de micromateriales.
En el procesamiento de materiales, los láseres con una potencia óptica promedio superior a 1 kilovatio se utilizan principalmente para aplicaciones de procesamiento de materiales industriales. Más allá de este umbral de potencia, existen problemas térmicos relacionados con la óptica que separa estos láseres de sus homólogos de menor potencia. [9] Los sistemas láser en el rango de 50-300W se utilizan principalmente para aplicaciones de bombeo , soldadura de plástico y soldadura . Los láseres de más de 300 W se utilizan en aplicaciones de soldadura fuerte , soldadura de metales finos y corte de chapa metálica . El brillo requerido (medido por el producto de parámetros de la viga) es mayor para aplicaciones de corte que para soldadura fuerte y de metales delgados. [10] Las aplicaciones de alta potencia, como el endurecimiento , el revestimiento y la soldadura de penetración profunda, requieren varios kW de potencia óptica y se utilizan en una amplia gama de procesos industriales.
El procesamiento de micromateriales es una categoría que incluye todas las aplicaciones de procesamiento de materiales con láser de menos de 1 kilovatio. [11] El uso de láseres en el procesamiento de micromateriales ha encontrado una amplia aplicación en el desarrollo y fabricación de pantallas para teléfonos inteligentes, tabletas y televisores LED. [12]
Una lista detallada de aplicaciones láser industriales y comerciales incluye:
