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Un láser es un dispositivo que emite luz mediante un proceso de amplificación óptica basado en la emisión estimulada de radiación electromagnética . La palabra láser es un acrónimo que se originó como acrónimo de amplificación de luz por emisión estimulada de radiación . [1] [2] El primer láser fue construido en 1960 por Theodore Maiman en Hughes Research Laboratories , basándose en el trabajo teórico de Charles H. Townes y Arthur Leonard Schawlow . [3]
Un láser se diferencia de otras fuentes de luz en que emite luz coherente . La coherencia espacial permite enfocar un láser en un lugar reducido, lo que permite aplicaciones como el corte por láser y la litografía . También permite que un rayo láser permanezca estrecho en grandes distancias ( colimación ), una característica utilizada en aplicaciones como punteros láser y lidar (detección y alcance de luz). Los láseres también pueden tener una alta coherencia temporal , lo que les permite emitir luz con un espectro de frecuencias muy estrecho . Alternativamente, se puede utilizar la coherencia temporal para producir pulsos de luz ultracortos con un amplio espectro pero con duraciones tan cortas como un femtosegundo .
Los láseres se utilizan en unidades de disco óptico , impresoras láser , lectores de códigos de barras , instrumentos de secuenciación de ADN , fibra óptica y comunicaciones ópticas en espacio libre , fabricación de chips semiconductores ( fotolitografía ), cirugía láser y tratamientos de la piel, materiales de corte y soldadura , militares y legales. dispositivos de control para marcar objetivos y medir el alcance y la velocidad, y en pantallas de iluminación láser para entretenimiento. También se han utilizado láseres semiconductores desde el azul hasta el ultravioleta cercano en lugar de diodos emisores de luz (LED) para excitar la fluorescencia como fuente de luz blanca; esto permite un área de emisión mucho menor debido a la radiación mucho mayor de un láser y evita la caída que sufren los LED; Estos dispositivos ya se utilizan en algunos faros de automóviles . [4] [5] [6] [7]
El primer dispositivo que utilizó amplificación por emisión estimulada funcionó en frecuencias de microondas y se llamó máser , por "amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación". [8] Cuando se desarrollaron dispositivos ópticos similares , primero se los conoció como másers ópticos , hasta que "microondas" fue reemplazado por "luz" en el acrónimo, para convertirse en láser . [9]
Hoy en día, todos los dispositivos que funcionan a frecuencias superiores a las de las microondas (aproximadamente por encima de 300 GHz ) se denominan láseres (p. ej. , láseres infrarrojos , láseres ultravioleta, láseres de rayos X , láseres de rayos gamma ), mientras que los dispositivos que funcionan a frecuencias de microondas o de radio más bajas se denominan maseros. [10] [11]
El verbo retroformado "to lase" se usa con frecuencia en el campo, que significa "emitir luz coherente", especialmente en lo que respecta al medio de ganancia de un láser; [12] cuando un láser está funcionando, se dice que está "láser". [13] Los términos láser y máser también se utilizan para emisiones coherentes que ocurren naturalmente, como en máser astrofísico y láser atómico . [14] [15]
Un láser que produce luz por sí solo es técnicamente un oscilador óptico en lugar de un amplificador óptico como sugiere el acrónimo. [16] Se ha observado con humor que el acrónimo LOSER, que significa "oscilación de la luz por emisión estimulada de radiación", habría sido más correcto. [15] Con el uso generalizado del acrónimo original como sustantivo común, los amplificadores ópticos han pasado a denominarse amplificadores láser . [17]
La física moderna describe la luz y otras formas de radiación electromagnética como el comportamiento grupal de partículas fundamentales conocidas como fotones . Los fotones se liberan y absorben mediante interacciones electromagnéticas con otras partículas fundamentales que transportan carga eléctrica . Una forma común de liberar fotones es calentar un objeto; parte de la energía térmica que se aplica al objeto hará que las moléculas y los electrones dentro del objeto ganen energía, que luego se pierde a través de la radiación térmica , que vemos como luz. Este es el proceso que hace que la llama de una vela emita luz.
La radiación térmica es un proceso aleatorio y, por tanto, los fotones emitidos tienen un rango de diferentes longitudes de onda , viajan en diferentes direcciones y se liberan en diferentes momentos. Sin embargo, la energía dentro del objeto no es aleatoria: es almacenada por átomos y moléculas en " estados excitados ", que liberan fotones con distintas longitudes de onda. Esto da origen a la ciencia de la espectroscopia , que permite determinar los materiales a través de las longitudes de onda específicas que emiten.
El proceso físico subyacente que crea fotones en un láser es el mismo que en la radiación térmica, pero la emisión real no es el resultado de procesos térmicos aleatorios. En cambio, la liberación de un fotón es provocada por el paso cercano de otro fotón. Esto se llama emisión estimulada . Para que este proceso funcione, el fotón que pasa debe ser similar en energía y, por lo tanto, en longitud de onda, a la que podría liberar el átomo o molécula, y el átomo o molécula debe estar en el estado excitado adecuado.
El fotón que se emite mediante emisión estimulada es idéntico al fotón que desencadenó su emisión, y ambos fotones pueden desencadenar la emisión estimulada en otros átomos, creando la posibilidad de una reacción en cadena . Para que esto suceda, muchos de los átomos o moléculas deben estar en el estado excitado adecuado para que los fotones puedan activarlos. En la mayoría de los materiales, los átomos o moléculas salen de los estados excitados con bastante rapidez, lo que dificulta o imposibilita la producción de una reacción en cadena. Los materiales elegidos para los láseres son los que tienen estados metaestables , que permanecen excitados durante un tiempo relativamente largo. En física del láser , este material se denomina medio láser activo . Combinado con una fuente de energía que continúa "bombeando" energía al material, esto hace posible tener suficientes átomos o moléculas en un estado excitado para que se desarrolle una reacción en cadena.
Los láseres se distinguen de otras fuentes de luz por su coherencia . La coherencia espacial (o transversal) generalmente se expresa cuando la salida es un haz estrecho, que está limitado por la difracción . Los rayos láser pueden enfocarse en puntos muy pequeños, logrando una irradiancia muy alta , o pueden tener una divergencia muy baja para concentrar su potencia a gran distancia. La coherencia temporal (o longitudinal) implica una onda polarizada en una sola frecuencia, cuya fase está correlacionada a lo largo de una distancia relativamente grande (la longitud de coherencia ) a lo largo del haz. [18] [ página necesaria ] Un haz producido por una fuente de luz térmica u otra fuente de luz incoherente tiene una amplitud y una fase instantáneas que varían aleatoriamente con respecto al tiempo y la posición, por lo que tiene una longitud de coherencia corta.
Los láseres se caracterizan según su longitud de onda en el vacío . La mayoría de los láseres de "longitud de onda única" producen radiación en varios modos con longitudes de onda ligeramente diferentes. Aunque la coherencia temporal implica cierto grado de monocromaticidad , algunos láseres emiten un amplio espectro de luz o emiten diferentes longitudes de onda de luz simultáneamente. Ciertos láseres no son de modo espacial único y tienen haces de luz que divergen más de lo requerido por el límite de difracción . Todos estos dispositivos se clasifican como "láseres" según el método de producción de luz mediante emisión estimulada. Los láseres se emplean allí donde no es posible producir luz con la coherencia espacial o temporal necesaria mediante tecnologías más sencillas.
Un láser consta de un medio de ganancia , un mecanismo para energizarlo y algo para proporcionar retroalimentación óptica . [19] El medio de ganancia es un material con propiedades que le permiten amplificar la luz mediante emisión estimulada. La luz de una longitud de onda específica que pasa a través del medio de ganancia se amplifica (aumenta la potencia). La retroalimentación permite que la emisión estimulada amplifique predominantemente la frecuencia óptica en el pico de la curva ganancia-frecuencia. A medida que aumenta la emisión estimulada, eventualmente una frecuencia domina sobre todas las demás, lo que significa que se ha formado un haz coherente. [20] [ página necesaria ] El proceso de emisión estimulada es análogo al de un oscilador de audio con retroalimentación positiva que puede ocurrir, por ejemplo, cuando el altavoz en un sistema de megafonía se coloca cerca del micrófono. El chirrido que se escucha es una oscilación de audio en el pico de la curva de ganancia-frecuencia del amplificador. [21] [ página necesaria ]
Para que el medio de ganancia amplifique la luz, es necesario suministrarle energía en un proceso llamado bombeo . La energía normalmente se suministra como corriente eléctrica o como luz en una longitud de onda diferente. La luz de la bomba puede ser proporcionada por una lámpara de destello o por otro láser.
El tipo más común de láser utiliza 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 a través del medio de ganancia y siendo amplificada cada vez. Normalmente uno de los dos espejos, el acoplador de salida , es parcialmente transparente. Parte 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 con 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. [ cita necesaria ]
Los electrones y cómo interactúan con los campos electromagnéticos son importantes para nuestra comprensión de la química y la física .
En la visión clásica , la energía de un electrón que orbita alrededor de un núcleo atómico es mayor en órbitas más alejadas del núcleo de un átomo . Sin embargo, los efectos de la mecánica cuántica obligan a los electrones a adoptar posiciones discretas en los orbitales . Así, los electrones se encuentran en niveles de energía específicos de un átomo, dos de los cuales se muestran a continuación:
Un electrón en un átomo puede absorber energía de la luz ( fotones ) o del calor ( fonones ) sólo si hay una transición entre niveles de energía que coincidan con la energía transportada por el fotón o fonón. Para la luz, esto significa que cualquier transición determinada sólo absorberá una longitud de onda de luz particular . Los fotones con la longitud de onda correcta pueden hacer que un electrón salte del nivel de energía más bajo al más alto. El fotón se consume en este proceso.
Cuando un electrón se excita de un estado a otro de mayor nivel de energía con diferencia de energía ΔE, no permanecerá así para siempre. Con el tiempo, se creará espontáneamente un fotón a partir del vacío con energía ΔE. Al conservar energía, el electrón pasa a un nivel de energía más bajo que no está ocupado, y las transiciones a diferentes niveles tienen diferentes constantes de tiempo. Este proceso se llama emisión espontánea . La emisión espontánea es un efecto mecánico-cuántico y una manifestación física directa del principio de incertidumbre de Heisenberg . El fotón emitido tiene una dirección aleatoria, pero su longitud de onda coincide con la longitud de onda de absorción de la transición. Este es el mecanismo de fluorescencia y emisión térmica .
Un fotón con la longitud de onda correcta para ser absorbido por una transición también puede hacer que un electrón caiga del nivel superior al inferior, emitiendo un nuevo fotón. El fotón emitido coincide exactamente con el fotón original en longitud de onda, fase y dirección. Este proceso se llama emisión estimulada.
El medio de ganancia se pone en un estado excitado mediante una fuente externa de energía. En la mayoría de los láseres, este medio consiste en una población de átomos que han sido excitados a tal estado usando una fuente de luz externa o un campo eléctrico que suministra energía para que los átomos la 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 estar en cualquier estado : gaseoso, 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 población . En este estado, la tasa de emisión estimulada es mayor que la tasa de absorción de luz en el medio y, por lo tanto, la luz se amplifica. Un sistema con esta propiedad se llama amplificador óptico . Cuando se coloca un amplificador óptico dentro de una cavidad óptica resonante, se obtiene un láser. [22]
Para medios láser con ganancia extremadamente alta, la llamada superluminiscencia , la luz se puede amplificar suficientemente en un solo paso a través del medio de ganancia sin necesidad de un resonador. Aunque a menudo se lo denomina láser (ver, por ejemplo, láser de nitrógeno ), [23] la salida de luz de dicho dispositivo carece de la coherencia espacial y temporal que se puede lograr con los láseres. Un dispositivo de este tipo no puede describirse como un oscilador sino más bien como un amplificador óptico de alta ganancia que amplifica su emisión espontánea. El mismo mecanismo describe los llamados máseres/láseres astrofísicos .
El resonador óptico a veces se denomina "cavidad óptica", pero este es un nombre inapropiado: los láseres usan resonadores abiertos en lugar de la cavidad literal que se emplearía en frecuencias de microondas en un máser . El resonador normalmente consta de dos espejos entre los cuales viaja un haz de luz coherente en ambas direcciones, reflejándose sobre sí mismo de modo que un fotón promedio pasará a través del medio de ganancia repetidamente antes de ser emitido por la apertura de salida o perderse 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 de 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 entre la potencia de la bomba y la ganancia de saturación 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 luz láser. La potencia mínima de bombeo necesaria para iniciar la acción del láser se denomina umbral láser . El medio de ganancia amplificará los fotones que lo atraviesen, independientemente de la dirección; pero sólo los fotones en modo espacial sostenidos por el resonador pasarán más de una vez a través del medio y recibirán una amplificación sustancial.
En la mayoría de los láseres, la emisión láser comienza con una emisión espontánea al modo láser. Esta luz inicial luego se amplifica mediante emisión estimulada en el medio de ganancia. La emisión estimulada produce luz que coincide con la señal de entrada en dirección, longitud de onda y polarización, mientras que la fase de la luz emitida está a 90 grados de la luz estimulante. [24] Esto, combinado con el efecto de filtrado del resonador óptico, le da a la luz láser su coherencia característica y puede darle polarización uniforme y monocromaticidad, dependiendo del diseño del resonador. El ancho de línea láser fundamental [25] de la luz emitida por el resonador láser puede ser órdenes de magnitud más estrecho que el ancho de línea de la luz emitida por el resonador pasivo. Algunos láseres utilizan una sembradora de inyección independiente para iniciar el proceso con un rayo que ya es muy coherente. Esto puede producir haces con un espectro más estrecho del que sería posible de otro modo.
En 1963, Roy J. Glauber demostró que los estados coherentes se forman a partir de combinaciones de estados numéricos de fotones , por lo que recibió el Premio Nobel de Física . [26] Un haz de luz coherente está formado por estados de fotones cuánticos de frecuencia única distribuidos según una distribución de Poisson . Como resultado, la estadística de Poisson describe la tasa de llegada de fotones a un rayo láser. [20] [ página necesaria ]
Muchos láseres producen un haz que puede aproximarse a un haz gaussiano ; dichos haces tienen la mínima divergencia posible para un diámetro de haz determinado. Algunos láseres, particularmente los de alta potencia, producen haces multimodo, y los modos transversales a menudo se aproximan utilizando funciones Hermite - Gaussianas o Laguerre -Gaussianas. Algunos láseres de alta potencia utilizan un perfil de superficie plana conocido como " haz de sombrero de copa ". Los resonadores láser inestables (no utilizados en la mayoría de los láseres) producen haces en forma de fractales. [27] Los sistemas ópticos especializados pueden producir geometrías de haz más complejas, como haces de Bessel y vórtices ópticos .
Cerca de la "cintura" (o región focal ) de un rayo láser, está altamente colimado : los frentes de onda son planos, normales a la dirección de propagación, sin divergencia del rayo en ese punto. Sin embargo, debido a la difracción , esto sólo puede seguir siendo cierto dentro del rango de Rayleigh . El haz de un láser de modo transversal único (haz gaussiano) eventualmente diverge en un ángulo que varía inversamente con el diámetro del haz, como lo exige la teoría de la difracción . Así, el "rayo de lápiz" generado directamente por un láser común de helio-neón se extendería hasta un tamaño de quizás 500 kilómetros cuando brillara sobre la Luna (desde la distancia de la Tierra). Por otro lado, la luz de un láser semiconductor normalmente sale del pequeño cristal con una gran divergencia: hasta 50°. Sin embargo, incluso un haz tan divergente se puede transformar en un haz colimado similar empleando un sistema de lentes , como siempre se incluye, por ejemplo, en un puntero láser cuya luz proviene de un diodo láser . Esto es posible gracias a que la luz es de un único modo espacial. Esta propiedad única de la luz láser, la coherencia espacial , no se puede replicar utilizando fuentes de luz estándar (excepto descartando la mayor parte de la luz), como se puede apreciar comparando el haz de una linterna (antorcha) o foco con el de casi cualquier láser.
Se utiliza un perfilador de rayo láser para medir el perfil de intensidad, el ancho y la divergencia de los rayos láser.
La reflexión difusa de un rayo láser desde una superficie mate produce un patrón moteado con propiedades interesantes.
El mecanismo de producción de radiación en un láser se basa en la emisión estimulada , donde se extrae energía de una transición en un átomo o molécula. Se trata de un fenómeno cuántico [ dudoso ] que fue predicho por Albert Einstein , quien 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 libres , los niveles de energía atómica no intervienen; parece que el funcionamiento de este dispositivo bastante exótico puede explicarse sin hacer referencia a la mecánica cuántica .
Un láser se puede clasificar en modo continuo o pulsado, dependiendo de si la potencia de salida 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 normalmente es continua puede encenderse y apagarse intencionalmente a cierta velocidad para crear pulsos de luz. Cuando la velocidad de modulación está en escalas de tiempo mucho más lentas que la vida útil de la cavidad y el período durante el cual se puede almacenar energía en el medio láser o mecanismo de bombeo, todavía se clasifica como un láser de onda continua "modulado" o "pulsado". La mayoría de los diodos láser utilizados en sistemas de comunicación entran en esa categoría.
Algunas aplicaciones de los láseres dependen de un haz cuya potencia de salida es constante en el tiempo. Un láser de este tipo se conoce como láser de onda continua ( CW ). Se pueden hacer que muchos tipos de láseres funcionen en modo de onda continua para satisfacer dicha aplicación. Muchos de estos láseres disparan en varios modos longitudinales al mismo tiempo, y los latidos entre las frecuencias ópticas ligeramente diferentes de esas oscilaciones producirán variaciones de amplitud en escalas de tiempo más cortas que el tiempo de ida y vuelta (el recíproco del espaciado de frecuencia entre modos). normalmente unos pocos nanosegundos o menos. En la mayoría de los casos, estos láseres todavía se denominan "onda continua", ya que su potencia de salida es constante cuando se promedia durante períodos más largos, y las variaciones de potencia de muy alta frecuencia tienen poco o ningún impacto en la aplicación prevista. (Sin embargo, el término no se aplica a los láseres de modo bloqueado , donde la intención es crear pulsos muy cortos al ritmo del tiempo de ida y vuelta).
Para el funcionamiento de onda continua, es necesario que la inversión de población del medio de ganancia se reponga continuamente mediante una fuente de bombeo constante. En algunos medios láser, esto es imposible. En algunos otros láseres, sería necesario bombear el láser a un nivel de potencia continuo muy alto, lo que no sería práctico, o destruir el láser produciendo calor excesivo. Estos láseres no pueden funcionar en modo CW.
El funcionamiento pulsado de los láseres se refiere a cualquier láser no clasificado como onda continua de modo que la potencia óptica aparece en pulsos de cierta duración y con cierta frecuencia de repetición. Esto abarca una amplia gama de tecnologías que abordan muchas motivaciones diferentes. Algunos láseres funcionan con impulsos simplemente porque no pueden funcionar en modo continuo.
En otros casos, la aplicación requiere la producción de impulsos 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 puede lograrse reduciendo la tasa de pulsos para que se pueda acumular más energía entre los pulsos. En la ablación por láser , por ejemplo, un pequeño volumen de material en la superficie de una pieza de trabajo se puede evaporar si se calienta en muy poco tiempo, mientras que el suministro gradual de energía permitiría que el calor se absorbiera en la mayor parte de la pieza. , sin alcanzar nunca una temperatura suficientemente alta en un punto determinado.
Otras aplicaciones se basan en la potencia máxima del pulso (en lugar de la energía del pulso), especialmente para obtener efectos ópticos no lineales . Para una energía de pulso determinada, esto requiere crear pulsos de la duración más corta posible utilizando técnicas como la conmutación 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, esto implica emitir láser en un ancho de banda considerable, muy al contrario de los anchos de banda muy estrechos típicos de los láseres CW. El medio láser en algunos láseres de colorante y láseres vibrónicos de estado sólido produce ganancia óptica en un amplio ancho de banda, lo que hace posible un láser que puede generar pulsos de luz tan cortos como unos pocos femtosegundos (10-15 s ).
En un láser con conmutación Q, se permite que la inversión de población se acumule introduciendo una pérdida dentro del resonador que excede la ganancia del medio; esto también puede describirse como una reducción del factor de calidad o 'Q' de la cavidad. Luego, después de que la energía de bombeo almacenada en el medio láser se ha acercado al nivel máximo posible, el mecanismo de pérdida introducido (a menudo un elemento electro o acústico-óptico) se elimina rápidamente (o eso ocurre por sí solo en un dispositivo pasivo), permitiendo que el láser 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.
Un láser de modo bloqueado es capaz de emitir pulsos extremadamente cortos del orden de decenas de picosegundos hasta menos de 10 femtosegundos . Estos pulsos se repiten 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 componen el resonador. Debido al límite de Fourier (también conocido como incertidumbre energía-tiempo ), un pulso de duración temporal tan corta tiene un espectro distribuido en un ancho de banda considerable. Por tanto, dicho medio de ganancia debe tener un ancho de banda de ganancia suficientemente amplio para amplificar esas frecuencias. Un ejemplo de material adecuado es el zafiro cultivado artificialmente y dopado con titanio ( Ti:sapphire ), que tiene un ancho de banda de ganancia muy amplio y, por tanto, puede producir impulsos de sólo unos pocos femtosegundos de duración.
Estos 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 la generación de segundo armónico , paramétrica) . conversión descendente , osciladores paramétricos ópticos y similares). A diferencia del pulso gigante de un láser con conmutación Q, los pulsos consecutivos de un láser de modo bloqueado son coherentes en fase, es decir, los pulsos (y no solo sus envolventes ) son idénticos y perfectamente periódicos. Por esta razón, y por las potencias máximas extremadamente grandes que se alcanzan con pulsos tan cortos, estos láseres son invaluables en ciertas áreas de investigación.
Otro método para lograr el funcionamiento del láser pulsado es bombear el material láser con una fuente que a su vez sea pulsada, ya sea mediante carga electrónica en el caso de lámparas de destello, u otro láser que ya esté pulsado. El bombeo pulsado se utilizó históricamente con láseres de tinte, donde la vida útil de la población invertida de una molécula de tinte era tan corta que se necesitaba una bomba rápida y de alta energía. La forma de superar este problema fue cargar condensadores grandes que luego se descargan a través de lámparas de destello, produciendo un destello intenso. El bombeo pulsado también es necesario para los láseres de tres niveles en los que el nivel de energía inferior se llena rápidamente, lo que impide que se produzcan más disparos hasta que esos átomos se relajen hasta el estado fundamental. Estos láseres, como el láser excimer y el láser de vapor de cobre, nunca pueden funcionar en modo CW.
En 1917, Albert Einstein estableció los fundamentos teóricos del láser y el máser en el artículo " Zur Quantentheorie der Strahlung " ("Sobre la teoría cuántica de la radiación") mediante una nueva derivación de la ley de radiación de Max Planck , basada conceptualmente en sobre coeficientes de probabilidad ( coeficientes de Einstein ) para la absorción, emisión espontánea y emisión estimulada de radiación electromagnética. [28] En 1928, Rudolf W. Ladenburg confirmó la existencia de los fenómenos de emisión estimulada y absorción negativa. [29] [ página necesaria ] En 1939, Valentin A. Fabrikant predijo el uso de emisión estimulada para amplificar ondas "cortas". [30] En 1947, Willis E. Lamb y R. C. Retherford encontraron una aparente emisión estimulada en los espectros de hidrógeno y realizaron la primera demostración de emisión estimulada. [29] [ página necesaria ] En 1950, Alfred Kastler (Premio Nobel de Física 1966) propuso el método de bombeo óptico , que fue demostrado experimentalmente dos años más tarde por Brossel, Kastler y Winter. [31]
En 1951, Joseph Weber presentó un artículo sobre el uso de emisiones estimuladas para fabricar un amplificador de microondas en la Conferencia de Investigación de Tubos de Vacío del Instituto de Ingenieros de Radio de junio de 1952 en Ottawa , Ontario, Canadá. [32] Después de esta presentación, RCA le pidió a Weber que diera un seminario sobre esta idea, y Charles H. Townes le pidió una copia del artículo. [33]
En 1953, Charles H. Townes y los estudiantes de posgrado 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 máser de Townes era incapaz de producir una producción continua. [34] Mientras tanto, en la Unión Soviética, Nikolay Basov y Aleksandr Prokhorov trabajaban de forma independiente en el oscilador cuántico y resolvieron 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 excitado inferior, no el estado fundamental, facilitando el mantenimiento de una inversión de población . En 1955, Prokhorov y Basov sugirieron el bombeo óptico de un sistema de niveles múltiples como método para obtener la inversión de población, más tarde un método principal de bombeo láser.
Townes informa que varios físicos eminentes (entre ellos Niels Bohr , John von Neumann y Llewellyn Thomas ) argumentaron que el máser violaba el principio de incertidumbre de Heisenberg y, por tanto, no podía funcionar. Otros, como Isidor Rabi y Polykarp Kusch, esperaban que no fuera práctico y que no valiera la pena el esfuerzo. [35] 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 máser-láser". principio".
En abril de 1957, el ingeniero japonés Jun-ichi Nishizawa propuso el concepto de " máser óptico semiconductor " en una solicitud de patente. [36]
Ese mismo año, Charles H. Townes y Arthur Leonard Schawlow, entonces en los Laboratorios Bell , comenzaron un estudio serio de los "máseres ópticos" infrarrojos. A medida que se desarrollaron las ideas, abandonaron la radiación infrarroja para concentrarse en la luz visible . En 1958, Bell Labs presentó una solicitud de patente para su máser óptico propuesto; y Schawlow y Townes presentaron un manuscrito de sus cálculos teóricos a Physical Review , que se publicó en 1958. [37]
Al mismo tiempo, Gordon Gould , estudiante de posgrado de la Universidad de Columbia , estaba trabajando en una tesis doctoral sobre los niveles de energía del talio excitado . Cuando Gould y Townes se reunieron, hablaron de la emisión de radiación , como un tema general; Posteriormente, en noviembre de 1957, Gould anotó sus ideas para un "láser", incluido el uso de un resonador abierto (más tarde un componente esencial de un dispositivo láser). Además, en 1958, Prokhorov propuso de forma independiente el uso de un resonador abierto, la primera aparición publicada de esta idea. Mientras tanto, Schawlow y Townes se habían decidido por un diseño de láser de resonador abierto, aparentemente sin conocer las publicaciones de Prokhorov ni el trabajo láser inédito de Gould.
En una conferencia celebrada en 1959, Gordon Gould publicó por primera vez el acrónimo "LASER" en el artículo The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation . [38] [15] La intención de Gould era que se utilizaran diferentes siglas "-ASER" para diferentes partes del espectro: "XASER" para rayos X, "UVASER" para ultravioleta, etc. "LASER" acabó convirtiéndose en el genérico término para dispositivos que no son microondas, aunque "RASER" fue brevemente popular para denotar dispositivos emisores de radiofrecuencia.
Las notas de Gould incluían posibles aplicaciones de 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 y Marcas de los Estados Unidos (USPTO) denegó su solicitud y otorgó una patente a Bell Labs , en 1960. Esto provocó una demanda de veintiocho años , en la que participaron prestigio científico y dinero en juego. Gould ganó su primera patente menor en 1977, pero no fue hasta 1987 que obtuvo la primera victoria importante en una demanda de patentes cuando un juez federal ordenó a la USPTO que otorgara patentes a Gould para los dispositivos láser de bombeo óptico y de descarga de gas . Los historiadores siguen sin resolver la cuestión de cómo atribuir el mérito de la invención del láser. [39]
El 16 de mayo de 1960, Theodore H. Maiman operó el primer láser en funcionamiento [40] [41] en Hughes Research Laboratories , Malibú, California, por delante de varios equipos de investigación, incluidos los de Townes, en la Universidad de Columbia , Arthur L. Schawlow , en Bell Labs , [42] [ página necesaria ] y Gould, en la empresa TRG (Technical Research Group). El láser funcional de Maiman utilizó un cristal de rubí sintético bombeado por una lámpara de destellos para producir luz láser roja a una longitud de onda de 694 nanómetros. El dispositivo sólo era capaz de funcionar por impulsos, debido a su esquema de diseño de bombeo de tres niveles. Más tarde ese año, el físico iraní Ali Javan , William R. Bennett Jr. y Donald R. Herriott , construyeron el primer láser de gas , utilizando helio y neón , que era capaz de funcionar de forma continua en el infrarrojo (patente estadounidense 3.149.290); Más tarde, Javan recibió el Premio Mundial de Ciencias Albert Einstein en 1993. En 1962, Robert N. Hall demostró el primer láser semiconductor , que estaba hecho de arseniuro de galio y se emitía en la banda del infrarrojo cercano del espectro a 850 nm. Más tarde ese año, Nick Holonyak Jr. demostró el primer láser semiconductor con emisión visible. Este primer láser semiconductor sólo podía utilizarse en funcionamiento con haz pulsado y enfriado a temperaturas de nitrógeno líquido (77 K). En 1970, Zhores Alferov , en la URSS, e Izuo Hayashi y Morton Panish de Bell Labs también desarrollaron de forma independiente láseres de diodo de operación continua y temperatura ambiente, utilizando la estructura de heterounión .
Desde los inicios de la historia del láser, la investigación del láser ha producido una variedad de tipos de láser mejorados y especializados, optimizados para diferentes objetivos de rendimiento, que incluyen:
y esta investigación continúa hasta el día de hoy.
En 2015, los investigadores crearon un láser blanco, cuya luz está modulada por una nanolámina sintética hecha de zinc, cadmio, azufre y selenio que puede emitir luz roja, verde y azul en diferentes proporciones, con cada longitud de onda abarcando 191 nm. [43] [44] [45]
En 2017, investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft demostraron un láser de microondas de unión AC Josephson . [46] 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 . [47] En 2017, investigadores de la Universidad Técnica de Munich demostraron el láser de bloqueo de modo más pequeño capaz de emitir pares de pulsos láser de picosegundos bloqueados en fase con una frecuencia de repetición de hasta 200 GHz. [48]
En 2017, investigadores del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), junto con investigadores estadounidenses del 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 dopado con erbio con un ancho de línea de sólo 10 milihercios. [49] [50]
Tras la invención del láser de gas HeNe, se ha descubierto que muchas otras descargas de gas amplifican la luz de forma coherente. Se han construido y utilizado para muchos propósitos láseres de gas que utilizan muchos gases diferentes. El láser de helio-neón (HeNe) puede funcionar en muchas longitudes de onda diferentes; sin embargo, la gran mayoría está diseñado para funcionar con láser a 633 nm; Estos láseres de costo relativamente bajo pero altamente coherentes son extremadamente comunes en laboratorios educativos y de investigación óptica. Los láseres comerciales de dióxido de carbono (CO 2 ) pueden emitir muchos cientos de vatios en un único modo espacial que puede concentrarse en un punto diminuto. Esta emisión se produce en el infrarrojo térmico a 10,6 µm; Estos láseres se utilizan habitualmente en la industria para cortar y soldar. La eficiencia de un láser de CO 2 es inusualmente alta: más del 30%. [51] Los láseres de iones de argón pueden funcionar en varias transiciones láser entre 351 y 528,7 nm. Dependiendo del diseño óptico, una o más de estas transiciones pueden emitirse simultáneamente; las líneas más utilizadas son 458 nm, 488 nm y 514,5 nm. Un láser de descarga eléctrica transversal de nitrógeno en gas a presión atmosférica (TEA) es un láser de gas económico, a menudo construido en casa por aficionados, que produce luz ultravioleta bastante incoherente a 337,1 nm. [52] 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. Como todos los láseres de gas de baja presión, los medios de ganancia de estos láseres tienen anchos de línea de oscilación bastante estrechos , menos de 3 GHz (0,5 picómetros ), [53] lo que los convierte en candidatos para su uso en espectroscopía Raman con supresión de fluorescencia .
Varios equipos internacionales demostraron el uso de láser sin mantener el medio excitado en una inversión de población en 1992 en gas sodio y nuevamente en 1995 en gas rubidio . [54] [55] [ página necesaria ] Esto se logró mediante el uso de un máser externo para inducir "transparencia óptica" en el medio mediante la introducción e interferencia destructiva de las transiciones de los electrones terrestres entre dos caminos para que la probabilidad de que los electrones terrestres absorban cualquier La energía ha sido cancelada.
Los láseres químicos funcionan mediante una reacción química que permite liberar rápidamente una gran cantidad de energía. Estos láseres de muy alta potencia son de especial interés para el ejército; sin embargo, se han desarrollado láseres químicos de onda continua a niveles de potencia muy altos, alimentados por corrientes de gases, que 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 deuterio con productos de combustión de etileno en trifluoruro de nitrógeno .
Los láseres excimer son un tipo especial de láser de gas impulsado por una descarga eléctrica en el que el medio láser es un excimer , o más precisamente un exciplex en los diseños existentes. Se trata de moléculas que sólo pueden existir con un átomo en estado electrónico excitado . Una vez que la molécula transfiere su energía de excitación a un fotón, sus átomos ya no están unidos entre sí y la molécula se desintegra. Esto reduce drásticamente la población del estado de menor energía, facilitando así en gran medida una inversión poblacional. Los excímeros utilizados actualmente son todos compuestos de gases nobles ; Los gases nobles son químicamente inertes y sólo pueden formar compuestos mientras están en estado excitado. Los láseres excimer normalmente funcionan en longitudes de onda ultravioleta con aplicaciones importantes que incluyen fotolitografía de semiconductores y cirugía ocular LASIK . Las moléculas excimer comúnmente utilizadas incluyen ArF (emisión a 193 nm), KrCl (222 nm), KrF (248 nm), XeCl (308 nm) y XeF (351 nm). [56] [ página necesaria ] El láser de flúor molecular , que emite a 157 nm en el vacío ultravioleta, a veces se denomina láser excimer; sin embargo, este parece ser un nombre inapropiado ya que F 2 es un compuesto estable.
Los láseres de estado sólido utilizan una varilla cristalina o de vidrio que está "dopada" con iones que proporcionan los estados de energía necesarios. Por ejemplo, el primer láser que funcionó fue un láser de rubí , hecho de rubí ( corindón dopado con cromo ). La inversión poblacional se mantiene en el dopante. Estos materiales se bombean ópticamente utilizando una longitud de onda más corta que la longitud de onda del láser, a menudo desde un tubo de destello u otro láser. El uso del término "estado sólido" en la física del láser es más limitado que el uso típico. Los láseres semiconductores (diodos láser) normalmente no se denominan láseres de estado sólido.
El neodimio es un dopante común en varios cristales láser de estado sólido, incluido el ortovanadato de itrio ( Nd:YVO 4 ), el fluoruro de itrio y litio ( Nd:YLF ) y el 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 espectroscopia y para bombear láseres de tinte . Estos láseres también suelen duplicar , triplicar o cuadriplicar su frecuencia para producir haces de 532 nm (verde, visible), 355 nm y 266 nm ( UV ), respectivamente. Los láseres de estado sólido bombeados por diodos (DPSS) de frecuencia duplicada se utilizan para fabricar punteros láser de color verde brillante.
El iterbio , el holmio , el tulio y el erbio son otros "dopantes" comunes en los láseres de estado sólido. [57] [ página necesaria ] El iterbio se utiliza en cristales como Yb:YAG, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:SYS, Yb:BOYS, Yb:CaF 2 , que normalmente funcionan entre 1020 y 1050 nm. Son potencialmente muy eficientes y de gran potencia debido a un pequeño defecto cuántico. Con Yb:YAG se pueden lograr potencias extremadamente altas en pulsos ultracortos. 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 que contienen agua. El Ho-YAG generalmente se opera en modo pulsado y se pasa a través de dispositivos quirúrgicos de fibra óptica para reparar las articulaciones, eliminar la podredumbre de los dientes, vaporizar los cánceres y pulverizar los cálculos renales y biliares.
El zafiro dopado con titanio ( Ti:zafiro ) produce un láser infrarrojo altamente sintonizable , comúnmente utilizado para espectroscopia . También destaca por su uso como láser de modo bloqueado que produce pulsos ultracortos de potencia máxima extremadamente alta.
Las limitaciones térmicas de 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 termoóptico (d n /d T ) puede provocar lentes térmicas y reducir la eficiencia cuántica. Los láseres de disco delgado bombeados por diodos superan estos problemas al tener un medio de ganancia 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 fino producen haces de hasta un kilovatio. [58]
Los láseres de estado sólido o amplificadores láser donde la luz es guiada debido a la reflexión interna total en una fibra óptica monomodo se denominan en cambio 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 superficie-volumen que permite un enfriamiento eficiente. Además, las propiedades de guía de ondas de la fibra tienden a reducir la distorsión térmica del haz. Los iones de erbio e iterbio son especies activas comunes en este tipo de láseres.
Muy a menudo, el láser de fibra está diseñado como una fibra de doble revestimiento . Este tipo de fibra consta de un núcleo de fibra, un revestimiento interior y un revestimiento exterior. El índice de las tres capas concéntricas se elige de modo que el núcleo de fibra actúe como una fibra monomodo para la emisión del láser, mientras que el revestimiento exterior actúe como un núcleo altamente multimodo para el láser de bombeo. Esto permite que la bomba propague una gran cantidad de energía hacia y a través de la región del núcleo interno activo, sin dejar de tener una apertura numérica (NA) alta para tener condiciones de lanzamiento fáciles.
La luz de bombeo se puede utilizar de manera más eficiente creando un láser de disco de fibra o una pila de dichos láseres.
Los láseres de fibra, al igual que otros medios ópticos, pueden sufrir los efectos del fotooscurecimiento cuando se exponen a radiación de determinadas longitudes de onda. En particular, esto puede provocar la degradación del material y la pérdida de la funcionalidad del láser con el tiempo. Las causas y efectos exactos de este fenómeno varían de un material a otro, aunque a menudo implica la formación de centros de color . [59]
Los láseres de cristal fotónico son láseres basados en nanoestructuras que proporcionan el modo de confinamiento y la estructura de densidad de estados ópticos (DOS) necesarios para que se produzca la retroalimentación. [ se necesita aclaración ] Son típicos del tamaño de un micrómetro [ dudoso ] y sintonizables en las bandas de los cristales fotónicos. [60] [ se necesita aclaración ]
Los láseres semiconductores son diodos que se bombean eléctricamente. La recombinación de electrones y huecos creados por la corriente aplicada introduce ganancia óptica. La reflexión desde los extremos del cristal forma un resonador óptico, aunque en algunos diseños el resonador puede ser externo al semiconductor.
Los diodos láser comerciales emiten en longitudes de onda de 375 nm a 3500 nm. [61] 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 potencias de hasta 20 kW, se utilizan en la industria para corte y soldadura. [62] Los láseres semiconductores de cavidad externa tienen un medio semiconductor activo en una cavidad más grande. Estos dispositivos pueden generar salidas de alta potencia con buena calidad de haz, radiación de longitud de onda ajustable y ancho de línea estrecho 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 tradicionales láseres de estado sólido bombeados por diodos. [63] [64]
Los láseres de emisión superficial de cavidad vertical ( VCSEL ) son láseres semiconductores cuya dirección de emisión es perpendicular a la superficie de la oblea. Los dispositivos VCSEL suelen tener un haz de salida más circular que los diodos láser convencionales. En 2005, sólo los VCSEL de 850 nm estaban ampliamente disponibles; los VCSEL de 1300 nm comenzaron a comercializarse [65] y los dispositivos de 1550 nm son un área de investigación. Los VECSEL son VCSEL de cavidad externa. Los láseres de cascada cuántica son láseres semiconductores que tienen una transición activa entre 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 elegido para los circuitos integrados , por lo que los componentes electrónicos y fotónicos de silicio (como las interconexiones ópticas ) podrían fabricarse en el mismo chip. Desafortunadamente, el silicio es un material láser difícil de tratar, ya que tiene ciertas propiedades que bloquean el láser. Sin embargo, recientemente los equipos han producido láseres de silicio mediante métodos como la fabricación del material láser a partir de silicio y otros materiales semiconductores, como el fosfuro de indio (III) o el arseniuro de galio (III) , materiales que permiten producir luz coherente a partir del silicio. Estos se denominan láseres de silicio híbridos . Desarrollos recientes también han demostrado el uso de láseres de nanocables integrados monolíticamente directamente sobre silicio para interconexiones ópticas, allanando el camino para aplicaciones a nivel de chip. [66] Estos láseres de nanocables de heteroestructura capaces de realizar interconexiones ópticas en silicio también son capaces de emitir pares de pulsos de picosegundos bloqueados en fase con una frecuencia de repetición de hasta 200 GHz, lo que permite el procesamiento de señales ópticas en el chip. [48] Otro tipo es el láser Raman , que aprovecha la dispersión Raman para producir un láser a partir de materiales como el silicio.
Los láseres de tinte utilizan un tinte orgánico como medio de ganancia. El amplio espectro de ganancia de los tintes disponibles, o mezclas de tintes, permite que estos láseres sean altamente sintonizables o produzcan pulsos de muy corta duración ( del orden de unos pocos femtosegundos ). Aunque estos láseres sintonizables se conocen principalmente en su forma líquida, los investigadores también han demostrado una emisión sintonizable de ancho de línea estrecho en configuraciones de osciladores dispersivos que incorporan medios de ganancia de tinte de estado sólido. En su forma más frecuente, estos láseres de colorantes de estado sólido utilizan polímeros dopados con colorantes como medios láser.
Los láseres de electrones libres (FEL) generan radiación coherente y de alta potencia que es ampliamente sintonizable y actualmente varía en longitudes de onda desde microondas, pasando por radiación de terahercios e infrarrojos hasta el espectro visible y rayos X suaves. Tienen el rango de frecuencia más amplio de cualquier tipo de láser. Si bien los rayos FEL comparten las mismas características ópticas que otros láseres, como la radiación coherente, el funcionamiento del FEL es bastante diferente. A diferencia de los láseres gaseosos, líquidos o de estado sólido, que dependen de estados atómicos o moleculares ligados, los FEL utilizan un haz de electrones relativista como medio láser, de ahí el término electrón libre .
La búsqueda de un láser de alta energía cuántica que utilice 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. [67] [68] [69] Esta investigación ha sido de alcance internacional, pero se ha basado principalmente en la ex Unión Soviética y los Estados Unidos. Si bien muchos científicos siguen siendo optimistas de que se acerca un gran avance, aún no se ha creado un láser de rayos gamma operativo. [70]
Algunos de los primeros estudios se dirigieron a pulsos cortos de neutrones que excitaban el estado del isómero superior en un sólido, de modo que la transición de rayos gamma pudiera beneficiarse del estrechamiento de línea del efecto Mössbauer . [71] [ página necesaria ] [72] En conjunto, se esperaban varias ventajas del bombeo de dos etapas de un sistema de tres niveles. [73] Se conjeturó que el núcleo de un átomo, incrustado en el campo cercano de una nube de electrones que oscila coherentemente impulsada por un láser, experimentaría un campo dipolar más grande que el del láser impulsor. [74] [75] Además, la no linealidad de la nube oscilante produciría armónicos tanto espaciales como temporales, por lo que las transiciones nucleares de mayor multipolaridad también podrían impulsarse a múltiplos de la frecuencia del láser. [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82]
En septiembre de 2007, BBC News informó que se especulaba sobre la posibilidad de utilizar la aniquilación de positronio para impulsar un láser de rayos gamma muy potente . [83] David Cassidy de la Universidad de California en Riverside propuso que un solo láser de este tipo podría usarse para iniciar una reacción de fusión nuclear , reemplazando los bancos de cientos de láseres actualmente empleados en experimentos de fusión por confinamiento inercial . [83]
También se han propuesto como armas antimisiles láseres de rayos X espaciales bombeados por una explosión nuclear. [84] [85] Tales dispositivos serían armas de un solo disparo.
Se han utilizado células vivas para producir luz láser. [86] [87] Las células fueron modificadas genéticamente para producir proteína verde fluorescente , que sirvió como medio de ganancia del láser. Luego, las células se colocaron entre dos espejos de 20 micrómetros de ancho, que actuaban como cavidad láser. Cuando la célula se iluminó con luz azul, emitió una luz láser verde intensamente dirigida.
Al igual que los máseres astrofísicos , los gases planetarios o estelares irradiados pueden amplificar la luz produciendo un láser natural. [88] Marte , [89] Venus y MWC 349 exhiben este fenómeno.
Cuando se inventaron los láseres en 1960, se los llamó "una solución que busca un problema". [90] Desde entonces, se han vuelto omnipresentes y han encontrado utilidad en miles de aplicaciones muy variadas en todos los sectores de la sociedad moderna, incluida la electrónica de consumo , la tecnología de la información, la ciencia, la medicina, la industria, la aplicación de la ley , el entretenimiento y el ejército . La comunicación por fibra óptica mediante láser es una tecnología clave en las comunicaciones modernas, que permite servicios como Internet .
El primer uso ampliamente notable del láser fue el escáner de códigos de barras del supermercado , introducido en 1974. El reproductor de discos láser , introducido en 1978, fue el primer producto de consumo exitoso que incluyó un láser, pero el reproductor de discos compactos fue el primer dispositivo equipado con láser que se volvió común. , a partir de 1982 seguido poco después por las impresoras láser .
Algunos otros usos son:
En 2004, excluyendo los láseres de diodo, se vendieron aproximadamente 131.000 láseres por un valor de 2.190 millones de dólares . [96] En el mismo año, se vendieron aproximadamente 733 millones de láseres de diodo, valorados en 3.200 millones de dólares . [97]
Los láseres tienen muchos usos en medicina, incluida la cirugía con láser (particularmente cirugía ocular ), la curación con láser (terapia de fotobiomodulación), el tratamiento de cálculos renales , la oftalmoscopia y los tratamientos cosméticos para la piel, como el tratamiento del acné , la reducción de la celulitis y las estrías , y la depilación .
Los láseres se utilizan para tratar el cáncer reduciendo o destruyendo tumores o crecimientos precancerosos. Se utilizan con mayor frecuencia para tratar cánceres superficiales que se encuentran en la superficie del cuerpo o en el revestimiento de los órganos internos. Se utilizan para tratar el cáncer de piel de células basales y las etapas muy tempranas de otros como el cáncer de cuello uterino , de pene , de vagina , de vulva y de pulmón de células 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 fotocoagulación con láser intersticial , utiliza láseres para tratar algunos cánceres mediante hipertermia, que utiliza calor para reducir los tumores dañando o matando las células cancerosas. Los láseres son más precisos que los métodos quirúrgicos tradicionales y causan menos daño, dolor, sangrado , hinchazón y cicatrices. Una desventaja es que los cirujanos deben adquirir una formación especializada y, por tanto, probablemente será más caro que otros tratamientos. [98] [99]
Un arma láser es un láser que se utiliza como arma de energía dirigida .
En los últimos años, algunos aficionados se han interesado por los láseres. Los láseres utilizados por los aficionados son generalmente de clase IIIa o IIIb , aunque algunos han fabricado sus propios tipos de clase IV. [100] 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 utilizan medios económicos para obtenerlos, como recuperar diodos láser de reproductores de DVD rotos (rojo), reproductores de Blu-ray (violeta) o incluso diodos láser de mayor potencia de grabadoras de CD o DVD . [101]
Los aficionados también han utilizado láseres excedentes tomados de aplicaciones militares retiradas y los han modificado para holografía . Los láseres de rubí pulsado y YAG funcionan bien para esta aplicación.
Diferentes aplicaciones necesitan láseres con diferentes potencias de salida. Los láseres que producen un haz continuo o una serie de impulsos cortos se pueden comparar en función de su potencia media. 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.
Ejemplos de sistemas pulsados con potencia máxima alta:
Incluso el primer láser fue reconocido como potencialmente peligroso. Theodore Maiman caracterizó el primer láser por tener el poder de un "Gillette", ya que podía quemar una hoja de afeitar Gillette . [ cita necesaria ] 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 del reflejo de una superficie brillante. En longitudes de onda en las que la córnea y el cristalino pueden enfocar bien, la coherencia y baja divergencia de la luz láser significa que el ojo puede enfocarla en un punto extremadamente pequeño de la retina , lo que produce quemaduras localizadas y daños permanentes en segundos o incluso menos. tiempo.
Los láseres suelen estar etiquetados con un número de clase de seguridad, que identifica qué tan peligroso es el láser:
Las potencias indicadas son para láseres de onda continua de luz visible. Para láseres pulsados y 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 longitud de onda particular.
Los láseres infrarrojos con longitudes de onda superiores a aproximadamente 1,4 micrómetros a menudo se denominan "seguros para los ojos", porque la córnea tiende a absorber la luz en estas longitudes de onda, protegiendo la retina del daño. Sin embargo, la etiqueta "seguro para los ojos" puede ser engañosa, ya que se aplica sólo a haces de ondas continuas de potencia relativamente baja; un láser de alta potencia o de conmutación Q en estas longitudes de onda puede quemar la córnea y provocar daños oculares graves, e incluso los láseres de potencia moderada pueden dañar el ojo.
Los láseres pueden ser un peligro para la aviación civil y militar, debido a su potencial para distraer o cegar temporalmente a los pilotos. Consulte Láseres y seguridad aérea para obtener más información sobre este tema.
Las cámaras basadas en dispositivos de carga acoplada pueden ser más sensibles al daño del láser que los ojos biológicos. [106]
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Este artículo incorpora texto de esta fuente, que es de dominio público : "Láseres en el tratamiento del cáncer". Institutos Nacionales de Salud, Instituto Nacional del Cáncer. 13 de septiembre de 2011. Archivado desde el original el 5 de abril de 2020 . Consultado el 15 de diciembre de 2017 .