El láser se refiere al proceso y al instrumento para generar haces de luz monocromáticos, coherentes y colimados mediante amplificación por radiación estimulada y la retroalimentación necesaria. Básicamente, la generación 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, y cuando el átomo transita de un nivel de energía alto a uno bajo, libera fotones de la energía correspondiente (denominada radiación espontánea). De manera similar, cuando un fotón incide sobre un sistema de niveles de energía y es absorbido por él, provoca que el átomo transite de un nivel de energía bajo a uno alto (denominada absorción excitada). Posteriormente, algunos de los átomos que transitan a niveles de energía más altos transitan a niveles de energía más bajos y emiten fotones (denominada radiación estimulada). Estos movimientos no ocurren de forma aislada, sino a menudo en paralelo. Al crear ciertas condiciones, como el uso de un medio adecuado, un resonador o un campo eléctrico externo suficiente, la radiación estimulada se amplifica de tal manera que supera la absorción estimulada, lo que generalmente resulta en la emisión de fotones y, por consiguiente, en luz láser.
B. Clasificación
Según el medio que lo produce, el láser se puede clasificar 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: sistema de excitación, material láser y resonador óptico. Los sistemas de excitación son dispositivos que generan luz, energía eléctrica o química. Actualmente, los principales medios de excitación utilizados son la luz, la electricidad o las reacciones químicas. Los materiales láser son sustancias capaces de producir luz láser, como rubíes, vidrio de berilio, neón, semiconductores, colorantes orgánicos, etc. El control de resonancia óptica se encarga de aumentar el brillo del láser de salida, así como de ajustar y seleccionar la longitud de onda y la dirección del láser.
D. Aplicación
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 fascinante: al iluminar un cristal de tierras raras con la luz emitida por una bombilla, las moléculas del cristal emitían una luz intensa y constante. Basándose en este fenómeno, propusieron el «principio láser», según el cual, al excitar una sustancia con la misma energía que la frecuencia de oscilación natural de sus moléculas, se produce una luz intensa que no se dispersa: el láser. Encontraron artículos importantes que respaldan esta teoría.
Tras la publicación de los resultados de la investigación de Sciolo y Townes, científicos de diversos países propusieron varios esquemas experimentales, pero no tuvieron éxito. El 15 de mayo de 1960, Mayman, científico del Laboratorio Hughes en California, anunció que había obtenido un láser con una longitud de onda de 0,6943 micras, el primer láser jamás obtenido por el ser humano, convirtiéndose así Mayman 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 consistía 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, podía 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 del láser semiconductor generalmente se compone de una capa P, una capa N y una capa activa que forman una doble heteroestructura. Sus características son: tamaño reducido, alta eficiencia de acoplamiento, rápida velocidad de respuesta, 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 la luz es muy común. Por ejemplo, los barcos utilizan luces para comunicarse y los semáforos usan rojo, amarillo y verde. Sin embargo, todos estos métodos de transmisión de información con luz ordinaria tienen un alcance limitado. Si se desea transmitir información directamente a lugares distantes mediante la luz, no se puede utilizar luz ordinaria, sino únicamente láseres.
¿Cómo se transmite el láser? Sabemos que la electricidad se puede conducir a través de cables de cobre, pero la luz no se puede transmitir a través de cables metálicos comunes. Para ello, los científicos han desarrollado un filamento capaz de transmitir luz, llamado fibra óptica. La fibra óptica está hecha de materiales de vidrio especiales, su diámetro es menor que el de un cabello humano, generalmente de 50 a 150 micras, y es muy flexible.
De hecho, el núcleo interno de la fibra es un vidrio óptico transparente de alto índice de refracción, y el revestimiento 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, al igual que el agua fluye por una tubería y la electricidad se transmite por el cable, incluso si miles de giros y vueltas no tienen efecto. Por otro lado, el revestimiento de bajo índice de refracción evita que la luz se escape, al igual que el agua no gotea en una tubería y la capa aislante del cable no conduce la electricidad.
La aparición de la fibra óptica solucionó el problema de la transmisión de luz, pero no significa que con ella se pueda transmitir cualquier luz a grandes distancias. Solo un láser de alta luminosidad, color puro y buena direccionalidad constituye la fuente de luz ideal para transmitir información. La luz se introduce por un extremo de la fibra, con pérdidas mínimas, y se emite por el otro. Por lo tanto, la comunicación óptica es esencialmente comunicación láser, que posee ventajas como gran capacidad, alta calidad, amplia gama de materiales, alta confidencialidad y durabilidad. Los científicos la consideran una revolución en el campo de la comunicación y uno de los logros más brillantes de la revolución tecnológica.
Fecha de publicación: 29 de junio de 2023