El láser se refiere al proceso e instrumento para generar haces de luz colimados, monocromáticos y coherentes mediante la amplificación de la radiación estimulada y la retroalimentación necesaria. Básicamente, la generación de láser requiere tres elementos: un resonador, un medio de ganancia y una fuente de bombeo.
A. Principio
El estado de movimiento de un átomo se puede dividir en diferentes niveles de energía. Cuando el átomo transita de un nivel de alta energía a uno de baja energía, emite fotones con la energía correspondiente (radiación espontánea). De manera similar, cuando un fotón incide sobre un sistema de niveles de energía y es absorbido, provoca que el átomo transite de un nivel de baja energía a uno de alta energía (absorción excitada). Posteriormente, algunos de los átomos que transitan a niveles de energía superiores transitan a niveles de energía inferiores y emiten fotones (radiación estimulada). Estos movimientos no ocurren de forma aislada, sino a menudo en paralelo. Al crear las condiciones adecuadas, como el uso de un medio apropiado, un resonador o un campo eléctrico externo suficiente, la radiación estimulada se amplifica de tal forma que supera la absorción estimulada. En consecuencia, generalmente se emiten fotones, lo que da como resultado la luz láser.
B. Clasificación
Según el medio que produce el láser, este se divide en láser líquido, láser gaseoso y láser sólido. Actualmente, el láser semiconductor más común es un tipo de láser de estado sólido.
C. Composición
La mayoría de los láseres se componen de tres partes: un sistema de excitación, un material láser y un resonador óptico. Los sistemas de excitación son dispositivos que producen luz, energía eléctrica o química. Actualmente, los principales medios de excitación utilizados son la luz, la electricidad o una reacción química. Las sustancias láser son aquellas que pueden producir luz láser, como rubíes, vidrio de berilio, gas neón, semiconductores, colorantes orgánicos, etc. El control de la resonancia óptica permite aumentar el brillo del láser de salida, así como ajustar y seleccionar su longitud de onda y dirección.
D. Solicitud
El láser se utiliza ampliamente, principalmente en comunicaciones por fibra óptica, medición láser, corte láser, armas láser, discos láser, etc.
E. Historia
En 1958, los científicos estadounidenses Xiaoluo y Townes descubrieron un fenómeno sorprendente: al dirigir la luz emitida por una bombilla hacia un cristal de tierras raras, las moléculas del cristal emitían una luz brillante, intensa y coordinada. A partir de este fenómeno, propusieron el «principio del láser»: cuando una sustancia se excita con la misma energía que la frecuencia de oscilación natural de sus moléculas, produce esta luz intensa y coordinada, conocida como láser. Publicaron artículos importantes sobre este descubrimiento.
Tras la publicación de los resultados de la investigación de Sciolo y Townes, científicos de diversos países propusieron varios esquemas experimentales, pero sin éxito. El 15 de mayo de 1960, Mayman, científico del Laboratorio Hughes en California, anunció haber obtenido un láser con una longitud de onda de 0,6943 micras, el primer láser jamás logrado por el ser humano. De esta forma, Mayman se convirtió en el primer científico del mundo en introducir los láseres en el ámbito práctico.
El 7 de julio de 1960, Mayman anunció el nacimiento del primer láser del mundo. El plan de Mayman consiste en utilizar un tubo de destello de alta intensidad para estimular los átomos de cromo en un cristal de rubí, produciendo así una columna de luz roja delgada y muy concentrada que, al ser disparada en un punto determinado, puede alcanzar una temperatura superior a la de la superficie del sol.
El científico soviético H.G. Basov inventó el láser semiconductor en 1960. La estructura de un láser semiconductor se compone generalmente de una capa P, una capa N y una capa activa que forman una doble heterounión. Sus características son: tamaño reducido, alta eficiencia de acoplamiento, respuesta rápida, longitud de onda y tamaño compatibles con el tamaño de la fibra óptica, modulación directa y buena coherencia.
Seis, algunas de las principales direcciones de aplicación del láser
F. Comunicación láser
Hoy en día, transmitir información mediante luz es muy común. Por ejemplo, los barcos usan luces para comunicarse y los semáforos usan rojo, amarillo y verde. Sin embargo, todos estos métodos de transmisión de información con luz ordinaria solo tienen un alcance corto. Si se desea transmitir información directamente a lugares distantes mediante luz, no se puede usar luz ordinaria, sino únicamente láseres.
¿Cómo se transmite la luz láser? Sabemos que la electricidad se puede conducir por cables de cobre, pero la luz no. Para ello, los científicos han desarrollado un filamento capaz de transmitir luz, llamado fibra óptica. La fibra óptica está hecha de un material vítreo especial, tiene un diámetro menor que el de un cabello humano, generalmente entre 50 y 150 micras, y es muy flexible.
De hecho, el núcleo interno de la fibra está hecho de un vidrio óptico transparente de alto índice de refracción, mientras que el recubrimiento exterior es de vidrio o plástico de bajo índice de refracción. Esta estructura, por un lado, permite que la luz se refracte a lo largo del núcleo interno, de forma similar a como el agua fluye por una tubería o la electricidad se transmite por un cable, incluso si miles de giros y vueltas no la afectan. Por otro lado, el recubrimiento de bajo índice de refracción evita las fugas de luz, al igual que una tubería no tiene fugas y la capa aislante de un cable no conduce la electricidad.
La aparición de la fibra óptica solucionó el problema de la transmisión de luz, pero esto no significa que cualquier luz pueda transmitirse a grandes distancias. Solo un láser de alta luminosidad, color puro y buena direccionalidad es la fuente de luz ideal para transmitir información; la luz entra por un extremo de la fibra, con pérdidas mínimas, y sale por el otro. Por lo tanto, la comunicación óptica es esencialmente comunicación láser, que ofrece ventajas como gran capacidad, alta calidad, amplia disponibilidad de materiales, alta confidencialidad y durabilidad, entre otras. Los científicos la consideran una revolución en el campo de las comunicaciones y uno de los logros más brillantes de la revolución tecnológica.
Fecha de publicación: 29 de junio de 2023