¿Cómo funcionan los láseres

Introducción a Cómo láseres Trabajo

La estación de prueba de umbral de daño óptico en el Centro de Investigación Langley de la NASA cuenta con tres láseres: a alta energía pulsada ND: YAG, un láser de Ti: zafiro y un láser HeNe alineación.
Foto cortesía de la NASA
La estación óptica prueba de umbral de daño en el Centro de Investigación Langley de la NASA.

"Star Wars", "Star Trek", "Battlestar Galactica" - la tecnología láser desempeña un papel fundamental en la ciencia ficción películas y libros. Es sin duda gracias a este tipo de historias que ahora asociamos láseres con la guerra futurista y elegante naves espaciales.

Arriba despues
  • HowStuffWorks Foro: ¿Es ilimitada potencia del láser?
  • Cómo la luz de Obras
  • Cómo Átomos Trabajo
  • Discovery.com: láser gigante

Pero el láser juegan un papel fundamental en nuestra vida cotidiana, también. El hecho es, que aparecen en una increíble variedad de productos y tecnologías. Los encontrarás en todo, desde reproductores de CD para taladros dentales a máquinas herramientas de alta velocidad a los sistemas de medición. Tatuaje eliminación, reemplazo de cabello, ojo cirugía - todos usan lasers.But lo que es un láser? Lo que hace que un haz de láser diferente del haz de una flash? En concreto, lo que hace que una luz láser diferente de otros tipos de luz? ¿Cómo se clasifican los láseres?

En este artículo, usted aprenderá todo sobre los diferentes tipos de láser, sus diferentes longitudes de onda y los usos a los que les ponemos. Pero primero, vamos a empezar con los fundamentos de la tecnología láser: ir a la página siguiente para conocer los conceptos básicos de un átomo.

Los fundamentos de un átomo

Un átomo, en el modelo más simple, se compone de un núcleo y los electrones en órbita.
Un átomo, en el modelo más simple, se compone de un núcleo y los electrones en órbita.

Hay solamente cerca de 100 diferentes tipos de átomos en todo el universo. Todo lo que vemos está formado por estos 100 átomos en un número ilimitado de combinaciones. ¿Cómo se organizan y unen estos átomos juntos determina si los átomos constituyen una taza de agua, un pedazo de metal, o la efervescencia que sale de su lata de refresco!

Los átomos están constantemente en movimiento. Ellos vibran continuamente, mover y rotar. Incluso los átomos que componen las sillas que nos sentamos en estamos moviendo alrededor. Los sólidos son en realidad en movimiento! Los átomos pueden estar en diferentes estados de excitación. En otras palabras, pueden tener diferentes energías. Si aplicamos una gran cantidad de energía a un átomo, puede dejar lo que se llama la nivel de energía del estado fundamental e ir a un nivel excitado. El nivel de excitación depende de la cantidad de energía que se aplica al átomo a través de calor, luz, o electricidad.

Por encima es una interpretación clásica de lo que el átomo se parece.

Este simple átomo consiste en un núcleo (que contiene los protones y neutrones) y un nube de electrones. Es útil pensar en los electrones en esta nube que rodea la núcleo en muchas órbitas diferentes.

Absorción de Energía

La absorción de la energía: Un átomo absorbe energía en forma de calor, luz o electricidad. Los electrones pueden pasar de una órbita de menor energía a una órbita de mayor energía.
La absorción de la energía: Un átomo absorbe energía en forma de calor, luz o electricidad. Los electrones pueden pasar de una órbita de menor energía a una órbita de mayor energía.

Considere el ejemplo de la página anterior. Aunque más puntos de vista modernos del átomo no representan órbitas discretas para los electrones, puede ser útil pensar en estas órbitas como los diferentes niveles de energía del átomo. En otras palabras, si aplicamos un poco de calor a un átomo, podríamos esperar que algunos de los electrones en los orbitales de menor energía sería la transición a orbitales de mayor energía más lejos del núcleo.

Esta es una visión muy simplificada de las cosas, pero en realidad refleja la idea central de la forma átomos trabajar en términos de láseres.

Una vez que un electrón se mueve a una órbita de mayor energía, con el tiempo quiere volver al estado fundamental. Cuando lo hace, libera su energía como fotón -- una partícula de luz. Usted ve átomos de la liberación de energía en forma de fotones todo el tiempo. Por ejemplo, cuando el elemento de calentamiento en una tostadora se convierte de color rojo brillante, el color rojo es causada por átomos, excitado por el calor, liberando fotones rojos. Cuando vea una imagen en una pantalla de televisión, lo que estamos viendo es átomos de fósforo, excitados por electrones de alta velocidad, que emiten diferentes colores de luz. Cualquier cosa que produce la luz - luces fluorescentes, faroles de gas, bombillas incandescentes -- lo hace a través de la acción de electrones cambiando órbitas y la liberación de fotones.

El Láser / Conexión Atom

LA láser es un dispositivo que controla la forma en que los átomos energizados liberan fotones. "Laser" es un acrónimo de Amplificación de luz por emisión estimulada de radiación, que describe muy sucintamente cómo funciona un láser.

Aunque hay muchos tipos de láseres, todos tienen ciertas características esenciales. En un láser, el medio de láser es "bombeado" para obtener el átomos en un estado excitado. Por lo general, muy intensos destellos de luz o de descargas eléctricas bombean el medio láser y crear una gran colección de átomos en estado excitado (átomos con electrones de alta energía). Es necesario disponer de una gran colección de átomos en el estado excitado para el láser funcione de manera eficiente. En general, los átomos son excitados a un nivel que es de dos o tres niveles por encima del estado fundamental. Esto aumenta el grado de inversión de la población. La inversión de población es el número de átomos en el estado excitado en comparación con el número en estado fundamental.

Láseres

Una vez que el medio de acción láser se bombea, contiene una colección de átomos con algunos electrones que se sientan en niveles excitados. Los electrones excitados tienen energías mayores que los electrones más relajadas. Así como el electrón absorbe una cierta cantidad de energía para alcanzar este nivel excitado, sino que también puede liberar esta energía. Como la figura siguiente ilustra, el electrón puede simplemente relajarse, ya su vez deshacerse de un poco de energía. Esta energía emitida viene en la forma de fotones (energía de la luz). El fotón emitido tiene una muy específica longitud de onda (color) que depende del estado de la energía del electrón cuando se suelta el fotón. Dos átomos idénticos con electrones en estados idénticos liberar fotones con longitudes de onda idénticos.

Luz laser

La luz del láser es muy diferente de lo normal luz. La luz láser tiene las siguientes propiedades:
  • La luz es lanzado monocromo. Contiene una longitud de onda específica de la luz (un color específico). La longitud de onda de la luz se determina por la cantidad de energía liberada cuando el electrón cae a una órbita más baja.
  • La luz es lanzado coherente. Se "organizado" - cada fotón se mueve al ritmo de los demás. Esto significa que todos los fotones tienen frentes de onda que lanzan al unísono.
  • La luz es muy direccional. Una luz láser tiene un haz muy estrecho y es muy fuerte y concentrado. Una linterna, por otro lado, libera la luz en muchas direcciones, y la luz es muy débil y difusa.

Para hacer estas tres propiedades se producen tarda algo llamado emision estimulada. Esto no ocurre en su ordinaria flash -- en una linterna, todos los átomos de liberar sus fotones al azar. En la emisión estimulada, por emisión de fotón se organiza.

El fotón que cualquier liberación átomo tiene una cierta longitud de onda que depende de la diferencia de energía entre el estado excitado y el estado fundamental. Si este fotón (que posee una cierta energía y fase) debería encontrar otro átomo que tiene un electrón en el mismo estado de excitación, emisión estimulada puede ocurrir. La primera fotón puede estimular o inducir la emisión atómica de manera que el fotón emitido posterior (desde el segundo átomo) vibra con la misma frecuencia y dirección que el fotón entrante.

La otra clave para un láser es un par de espejos, uno en cada extremo del medio de acción láser. Los fotones, con una longitud de onda y fase muy específico, se reflejan en los espejos para viajar de ida y vuelta a través del medio láser. En el proceso, estimulan otros electrones para dar el salto de energía hacia abajo y pueden causar la emisión de más fotones de una misma longitud de onda y fase. Un efecto de cascada se produce, y pronto nos han propagado muchos, muchos fotones de la misma longitud de onda y fase. El espejo en un extremo del láser es "medio-plateado," lo que significa que refleja algo de luz y deja un poco de luz a través. La luz que lo hace a través es la luz láser.

Puedes ver todos estos componentes en las figuras de la página siguiente, que ilustran cómo una sencilla láser de rubí trabajos.

Los láseres de rubí

Un láser de rubí consiste en un tubo flash (al igual que usted tendría en una cámara), Una barra de rubí y dos espejos (uno medio-plateado). La varilla de rubí es el medio láser y el tubo de flash de la bombea.

Tres Niveles láser

Esto es lo que sucede en una vida real, el láser de tres niveles.



Tipos de láseres

Hay muchos tipos diferentes de láseres. El medio de láser puede ser un sólido, gas, líquido o semiconductor. Los láseres son comúnmente designados por el tipo de material empleado efecto láser:

  • Láseres de estado sólido tener material de emisión láser distribuido en una matriz sólida (tal como el rubí o de neodimio: granate láseres itrio-aluminio "Yag"). El láser de neodimio-Yag emite infrarrojos luz a 1.064 nanómetros (nm). Un nanómetro es 1x10-9 metros.
  • Láseres de gas (helio y helio-neón, HeNe, son los láseres de gas más comunes) tienen una salida principal de luz roja visible. CO2 láseres emiten energía en el infrarrojo lejano, y se utilizan para el corte de materiales duros.
  • Láseres Excimer (el nombre se deriva de los términos emocionada y dímeros) Utilizan gases reactivos, tales como cloro y flúor, mezcladas con gases inertes tales como argón, criptón o xenón. Cuando se estimula eléctricamente, se produce una molécula de pseudo (dímero). Cuando lased, el dímero produce luz en el rango ultravioleta.
  • Láseres de colorante utilizar colorantes orgánicos complejos, tales como rodamina 6G, en solución líquida o suspensión como medios de acción láser. Son sintonizable en un amplio intervalo de longitudes de onda.
  • Los láseres semiconductores, a veces llamados láseres de diodo, no son los láseres de estado sólido. Estos dispositivos son generalmente muy pequeña y el uso de la energía baja. Pueden ser construidos en matrices más grandes, como la fuente de escritura en algunos impresoras láser o reproductores de CD.

¿Cuál es su longitud de onda?

LA láser de rubí (representado anteriormente) es un láser de estado sólido y emite a una longitud de onda de 694 nm. Otros medios de acción láser pueden ser seleccionados en base a la longitud de onda deseada de emisiones (ver tabla abajo), la energía necesaria, y la duración del pulso. Algunos láseres son muy poderosos, como el láser de CO2, que puede cortar a través de acero. La razón de que el láser de CO2 es tan peligroso es porque emite láser luz en la región infrarroja y de microondas del espectro. La radiación infrarroja es el calor, y este láser derrite básicamente a través de lo que se centra en.

Otros láseres, tales como láseres de diodo, son muy débiles y se utilizan en punteros láser de bolsillo de hoy en día. Estos láseres normalmente emiten un haz de luz roja que tiene una longitud de onda entre 630 nm y 680 nm. Los láseres son utilizados en la industria y la investigación para hacer muchas cosas, incluyendo el uso intenso de luz láser para excitar a otras moléculas para observar lo que les sucede.

Estos son algunos láseres típicos y sus longitudes de onda de emisión:

Tipo de láser
Longitud de onda (nm)
De fluoruro de argón (UV)
193
Fluoruro de criptón (UV)
248
Cloruro de xenón (UV)
308
Nitrógeno (UV)
337
Argón (azul)
488
Argón (verde)
514
Neón helio (verde)
543
Neón helio (rojo)
633
Colorante Rodamina 6G (sintonizable)
570-650
Ruby (CrAlO3) (rojo)
694
Nd: Yag (NIR)
1064
El dióxido de carbono (FIR)
10600

Clasificaciones láser


Señal de advertencia láser

Los láseres se clasifican en cuatro grandes áreas en función del potencial de causar daño biológico. Cuando ves a un láser, debe marcarse con una de estas cuatro denominaciones de clase:

  • Clase I - Estos láseres no pueden emitir láser radiación en los niveles de riesgo conocidos.
  • I.A. Clase - Esta es una designación especial que se aplica sólo a los láseres que son "no destinadas para su visualización," como un escáner láser de supermercado. El límite de potencia superior de I.A. Clase es 4,0 mW.
  • Clase II - Estos son de bajo consumo láseres visibles que emiten por encima de los niveles de la Clase I, pero con una potencia radiante no por encima de 1 mW. El concepto es que la reacción de la aversión humana a la luz brillante será proteger a una persona.
  • Clase IIIA - Estos son los láseres de potencia intermedia (CW: 1-5 mW), que son peligrosos sólo para la visualización al rayo. La mayoría de los láseres señaladores-pluma como están en esta clase.
  • Clase IIIB - Estos son los láseres de moderada potencia.
  • Clase IV - Estos son los láseres de alta potencia (cw: 500 mW, pulsada: 10 J / cm2 o el límite de reflexión difusa), que son peligrosos para ver bajo cualquier condición (directa o difusa dispersa), y son un potencial fuego peligro y un riesgo para la piel. Controles significativos se requieren de instalaciones de láser de clase IV.

Para obtener más información sobre el láser y otros temas relacionados, echa un vistazo a los enlaces de la página siguiente.

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Sobre el Autor
Mateo Weschler posee una maestría en Física Química Orgánica de la Universidad Estatal de Florida. Su tema de tesis fue picosegundos espectroscopia láser, y estudió cómo las moléculas reaccionan picosegundos después de ser bombardeado por la luz láser.

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