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 pueden usarse indirectamente en espectroscopia como un sistema de micromuestreo, una técnica denominada ablación láser (LA), que normalmente se aplica a aparatos ICP-MS dando como resultado el potente LA-ICP-MS.
Demtröder analiza los principios de la espectroscopia láser. [3]
La mayoría de los tipos de láser son una fuente de luz inherentemente pura; emiten luz casi monocromática con un rango muy bien definido de longitudes de onda . Mediante un diseño cuidadoso de los componentes del láser, la pureza de la luz láser (medida como el " ancho de línea ") se puede mejorar más que la pureza de cualquier otra fuente de luz. Esto hace que el láser sea 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 posible técnicas como la espectroscopia Raman . Se pueden utilizar otras técnicas espectroscópicas basadas en láseres para fabricar detectores extremadamente sensibles de varias moléculas, capaces de medir concentraciones moleculares en el nivel de partes por 10 12 (ppt). Debido a las altas densidades de potencia alcanzables por 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 endurecer selectivamente la superficie contra el desgaste con poca o ninguna distorsión del componente. Como esto elimina gran parte del retrabajo de la pieza que se realiza actualmente, el costo de capital del sistema láser se recupera en poco tiempo. También se ha desarrollado un recubrimiento absorbente inerte para el tratamiento térmico con láser que elimina los humos generados por los recubrimientos de pintura convencionales durante el proceso de tratamiento térmico con rayos láser de CO2 .
Un factor crucial para el éxito de una operación de tratamiento térmico es el control de la irradiancia del haz láser sobre la superficie de la pieza. La distribución óptima de la irradiancia depende de la termodinámica de la interacción láser-material y de la geometría de la pieza.
Por lo general, las irradiancias entre 500 y 5000 W/cm^2 satisfacen las restricciones termodinámicas y permiten un calentamiento rápido de la superficie y un aporte de calor total mínimo requerido. Para el tratamiento térmico general, una viga cuadrada o rectangular uniforme 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 la fusión.
Las investigaciones muestran que algún día los científicos podrán inducir lluvia y tormentas eléctricas (así como micromanipular otros fenómenos meteorológicos) utilizando láseres de alta energía . Un avance de este tipo podría erradicar las sequías , ayudar a aliviar las catástrofes relacionadas con el clima y asignar recursos meteorológicos a las zonas que los necesiten. [4] [5]
Cuando los astronautas del Apolo visitaron la Luna, instalaron conjuntos retrorreflectores para hacer posible el experimento de medición de distancia por láser lunar . Los rayos láser se enfocan a través de grandes telescopios en la Tierra que apuntan hacia los conjuntos y se mide el tiempo que tarda el rayo en reflejarse de vuelta a la Tierra para determinar la distancia entre la Tierra y la Luna con gran 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). Dichos pulsos se pueden utilizar para iniciar y analizar reacciones químicas, una técnica conocida como fotoquímica . Los pulsos cortos se pueden utilizar para investigar 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 la 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 recientemente es el enfriamiento por láser . Se trata de atrapar átomos , un método en el que se confinan varios átomos en una disposición de campos eléctricos y magnéticos de forma especial . Al proyectar determinadas longitudes de onda de luz sobre los iones o átomos, se los frena, enfriándolos . A medida que continúa este proceso, todos se frenan y tienen el mismo nivel de energía, formando una disposición inusual de materia conocida como condensado de Bose-Einstein .
Algunos de los sistemas más potentes y complejos del mundo de láseres múltiples y amplificadores ópticos se utilizan para producir pulsos de luz de intensidad extremadamente alta y duración extremadamente corta, por ejemplo, en el laboratorio de energía láser , National Ignition Facility , GEKKO XII , Nike laser , Laser Mégajoule , HiPER . Estos pulsos están dispuestos de tal manera que impactan en los gránulos 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 los gránulos. Esta técnica, conocida como " fusión por confinamiento inercial ", hasta ahora no ha podido 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; sin embargo, los experimentos en la National Ignition Facility pudieron demostrar reacciones de fusión que generan más energía que la contenida en los láseres que impulsan la reacción. [6]
Los láseres potentes 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 que se utilizan 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 láser utiliza láseres para obtener poblaciones celulares específicas de una sección de tejido bajo visualización microscópica.
Otras técnicas de microscopía láser incluyen la microscopía armónica, la microscopía de mezcla de cuatro ondas [7] y la microscopía interferométrica. [8]
Un arma láser es un arma de energía dirigida basada en láseres .
Las aplicaciones de contramedidas defensivas pueden variar desde contramedidas infrarrojas compactas de baja potencia hasta sistemas láser aerotransportados de alta potencia. Los sistemas de contramedidas infrarrojas utilizan láseres para confundir a los cabezales buscadores de los misiles guiados por infrarrojos .
Algunas armas simplemente utilizan un láser para desorientar a una persona. Una de esas armas es el láser verde de Thales , el Warner óptico. [9]
La guía láser es una técnica que consiste en guiar un misil u otro proyectil o vehículo hacia un objetivo mediante un rayo láser.
Otro uso militar de los láseres es como indicador láser de objetivos . Se trata de un puntero láser de baja potencia que se utiliza para indicar un objetivo para una munición guiada de precisión , normalmente lanzada desde una aeronave. La munición guiada ajusta su trayectoria de vuelo para apuntar hacia la luz láser reflejada por el objetivo, lo que permite una gran precisión al apuntar. El haz del indicador láser de objetivos se establece 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 la zona. El indicador láser puede apuntar hacia el objetivo desde una aeronave o desde la infantería cercana. Los láseres utilizados para este propósito suelen ser láseres infrarrojos , por lo que el enemigo no puede detectar fácilmente la luz láser guía.
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El láser se ha utilizado en la mayoría de las aplicaciones de armas de fuego como herramienta para mejorar la puntería de otros sistemas de armas. Por ejemplo, una mira láser es un láser pequeño, normalmente de luz visible, que se coloca en una pistola o un rifle y se alinea para emitir un haz paralelo al cañón. Como un haz láser tiene una divergencia baja, la luz del láser aparece como un pequeño punto incluso a grandes distancias; el usuario coloca el punto en el objetivo deseado y el cañón del arma se alinea (pero no necesariamente teniendo en cuenta la caída de la bala , la desviación del viento , la distancia entre la dirección del haz y el eje del cañón y la movilidad del objetivo mientras la bala viaja).
La mayoría de las miras láser utilizan un diodo láser rojo. Otras 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, módulo de adquisición de objetivos adaptativo para armas de fuego, combina diodos láser visibles e infrarrojos. A fines de la década de 1990, se comercializaron las miras láser de estado sólido (DPSS) con diodo verde (532 nm).
La Fuerza Aérea de los Estados Unidos desarrolló un arma láser no letal para impedir temporalmente la capacidad del adversario de disparar un arma o amenazar de otro modo a las fuerzas enemigas. Esta unidad ilumina al oponente con una luz láser inofensiva de baja potencia y puede tener el efecto de deslumbrar o desorientar al objetivo o hacer que huya. En la actualidad existen varios tipos de deslumbradores y algunos se han utilizado en combate.
Existe la posibilidad de utilizar láseres para cegar, ya que esto requiere niveles de potencia relativamente bajos y es fácil de lograr en una unidad portátil. Sin embargo, la mayoría de las naciones consideran que el cegamiento deliberado y permanente del enemigo está prohibido por las reglas de la guerra (véase el 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 pasado de la etapa de prototipo.
Además de las aplicaciones que se cruzan con las aplicaciones militares, un uso ampliamente conocido de los láseres en las fuerzas de seguridad es el lidar para medir la velocidad de los vehículos.
Una mira holográfica para armas 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 una distancia en el campo de visión . [10]
Las aplicaciones industriales del láser 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 separan a estos láseres de sus contrapartes de menor potencia. [11] Los sistemas láser en el rango de 50-300 W se utilizan principalmente para aplicaciones de bombeo , soldadura de plástico y soldadura blanda . Los láseres superiores a 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 del haz) es mayor para aplicaciones de corte que para soldadura fuerte y soldadura de metales finos. [12] Las aplicaciones de alta potencia, como endurecimiento , revestimiento y soldadura de penetración profunda, requieren varios kW de potencia óptica y se utilizan en una amplia gama de procesos industriales.
El microprocesamiento de materiales es una categoría que incluye todas las aplicaciones de procesamiento de materiales con láser de menos de 1 kilovatio. [13] El uso de láseres en el microprocesamiento de materiales ha encontrado una amplia aplicación en el desarrollo y fabricación de pantallas para teléfonos inteligentes, tabletas y televisores LED. [14]
Una lista detallada de aplicaciones láser industriales y comerciales incluye:
