EL LÁSEREL LÁSER

David Ayala HernándezDavid Ayala Hernández 954754954754

Alberto Iglesias DarribaAlberto Iglesias Darriba 993444993444

¿Qué significa?¿Qué significa?

LASER=Light Amplification by LASER=Light Amplification by Stimulated Emission of RadiationStimulated Emission of Radiation

(Amplificación de Luz por Emisión (Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación).Estimulada de Radiación).

PrincipiosPrincipios

Radiación se asimila a una transferencia Radiación se asimila a una transferencia de energíade energía, y ésta puede desplazarse de , y ésta puede desplazarse de un lugar a otro por conducciónun lugar a otro por conducción (la cocina), (la cocina), por convecciónpor convección (la estufa) y por radiación (la estufa) y por radiación (la bombilla). (la bombilla).

Los paquetes de energíaLos paquetes de energía

Toda radiación se propaga en "paquetes" ó Toda radiación se propaga en "paquetes" ó fotones, esto es, energía expresada de un modo fotones, esto es, energía expresada de un modo cuantitativo en "dosis" de energía conocidas. cuantitativo en "dosis" de energía conocidas.

En función de la energía ó los conceptos En función de la energía ó los conceptos asociados (frecuencia, longitud de onda), y asociados (frecuencia, longitud de onda), y mediante la constante de Planck en la relación mediante la constante de Planck en la relación se establece el denominado se establece el denominado espectro espectro electromagnético.electromagnético.

Espectro electromagnéticoEspectro electromagnético

Interacción de la radiaciónInteracción de la radiación

La radiación La radiación electromagnéticaelectromagnética interacciona con la interacciona con la materia, compuesta materia, compuesta por átomos, de dos por átomos, de dos formas: con su formas: con su absorciónabsorción ó con la ó con la emisiónemisión de otra nueva de otra nueva radiación. radiación.

Interacciones con el núcleoInteracciones con el núcleo

Interacciones con el núcleoInteracciones con el núcleo

Átomo con electrones orbitando en su núcleo. Átomo con electrones orbitando en su núcleo. Cuando una fuente de energía choca con el Cuando una fuente de energía choca con el átomo, un fotón es absorbido, mandando al átomo, un fotón es absorbido, mandando al átomo a un nivel de estado excitado.átomo a un nivel de estado excitado.

Cuando un fotón de la misma frecuencia es Cuando un fotón de la misma frecuencia es soltado el átomo puede regresas al nivel de soltado el átomo puede regresas al nivel de baja energía.baja energía.

……hasta que otro fotón llega. El proceso hasta que otro fotón llega. El proceso continúa, amplificándose la energía hasta que continúa, amplificándose la energía hasta que un haz de luz coherente se produce.un haz de luz coherente se produce.

InteraccionesInteracciones

Se dice entonces que el electrón a pasado Se dice entonces que el electrón a pasado a un estado excitadoa un estado excitado, aunque sólo se , aunque sólo se puede mantener en él durante un tiempo puede mantener en él durante un tiempo muy breve - del orden de milisegundos. Al muy breve - del orden de milisegundos. Al caer de nuevo a su órbita previa ó caer de nuevo a su órbita previa ó estado estado fundamentalfundamental, emite un nuevo fotón, lo que , emite un nuevo fotón, lo que se conoce como se conoce como emisión espontáneaemisión espontánea, , base de la fluorescencia natural.base de la fluorescencia natural.

InteraccionesInteracciones

Si un fotón emitido por un átomo incide Si un fotón emitido por un átomo incide sobre otro que tiene un electrón en estado sobre otro que tiene un electrón en estado excitado, el fotón incidente estimula la excitado, el fotón incidente estimula la emisión de un segundo fotón, idéntico en emisión de un segundo fotón, idéntico en tres propiedades características:tres propiedades características: longitud longitud de onda, fase y direcciónde onda, fase y dirección..

Niveles de energíaNiveles de energía

Niveles de energíaNiveles de energía

Los átomos de uno o más estados Los átomos de uno o más estados excitados de energía cuyos tiempos de excitados de energía cuyos tiempos de vida están en 10E -3s o más en vez del vida están en 10E -3s o más en vez del usual 10 E -8 s. Estos estados usual 10 E -8 s. Estos estados relativamente largos son llamados relativamente largos son llamados metaestablesmetaestables (estables de forma (estables de forma temporal).temporal).

Niveles de energíaNiveles de energía

Hay tres tipos de transición que resultan Hay tres tipos de transición que resultan en radiación electromagnética y que son en radiación electromagnética y que son posibles en un átomo dentro dos niveles posibles en un átomo dentro dos niveles de energía E0 y E1.de energía E0 y E1.

Si el átomo está inicialmente en el nivel Si el átomo está inicialmente en el nivel más bajo Eo, puede ser elevado al nivel más bajo Eo, puede ser elevado al nivel E1 absorbiendo un fotón de energía E1 – E1 absorbiendo un fotón de energía E1 – Eo = hν. Eo = hν.

Niveles de energíaNiveles de energía

Si el átomo está inicialmente en un esta Si el átomo está inicialmente en un esta superior E1, puede ser bajado a Eo superior E1, puede ser bajado a Eo emitiendo un fotón de energía hν. Esto es emitiendo un fotón de energía hν. Esto es conocido como conocido como emisión espontáneaemisión espontánea..

¿Por qué tres niveles?¿Por qué tres niveles?

Supongamos que tenemos un estado Supongamos que tenemos un estado metaestable hν arriba del nivel fundamental. metaestable hν arriba del nivel fundamental. Mientras más fotones de frecuencia ν utilicemos Mientras más fotones de frecuencia ν utilicemos para bombardear el paquete de átomos, más para bombardear el paquete de átomos, más transiciones habrá del estado fundamental al transiciones habrá del estado fundamental al estado metaestable. estado metaestable.

Sin embargo, al mismo tiempo este bombardeo Sin embargo, al mismo tiempo este bombardeo de luz inducirá transiciones del estado de luz inducirá transiciones del estado metaestable al estado fundamental. metaestable al estado fundamental.

¿Por qué tres niveles?¿Por qué tres niveles?

Cuando la mitad de los átomos estén en Cuando la mitad de los átomos estén en cada estado, la tasa de emisiones cada estado, la tasa de emisiones inducidas igualará la tasa de absorciones inducidas igualará la tasa de absorciones inducidas, así que el grupo o paquete de inducidas, así que el grupo o paquete de átomos no podrá tener más de la mitad de átomos no podrá tener más de la mitad de sus átomos en el estado metaestable. sus átomos en el estado metaestable.

Inversión de la poblaciónInversión de la población

Es necesario excitar tantos átomos como sea Es necesario excitar tantos átomos como sea posible para crear la condición de “Inversión de posible para crear la condición de “Inversión de población”, en la cual hay más átomos excitados población”, en la cual hay más átomos excitados que átomos en un nivel de energía menor.que átomos en un nivel de energía menor.

Los átomos “preparados” están en estados Los átomos “preparados” están en estados excitados (niveles cuánticos altos), y como excitados (niveles cuánticos altos), y como condición natural, tienden a relajarse hacia condición natural, tienden a relajarse hacia estados de menor energía (niveles cuánticos estados de menor energía (niveles cuánticos bajos), proceso que es la fuente de la luz láser. bajos), proceso que es la fuente de la luz láser. No basta con poder excitar algunos átomosNo basta con poder excitar algunos átomos

Inversión de poblaciónInversión de población

El láser de He-NeEl láser de He-Ne

El láser de He-NeEl láser de He-Ne

El láser de He-Ne ha sido el de mayor El láser de He-Ne ha sido el de mayor difusión hasta la aparición de los láseres difusión hasta la aparición de los láseres de diodo visibles. El primero fue de diodo visibles. El primero fue construido por Ali Javan en 1961.construido por Ali Javan en 1961.

El El medio activomedio activo es un gas noble, el neón, es un gas noble, el neón, y es un láser de 4 niveles energéticos. Su y es un láser de 4 niveles energéticos. Su diagrama de niveles de energía se diagrama de niveles de energía se describe en la figura:describe en la figura:

El láser de He-NeEl láser de He-Ne

El láser de He-NeEl láser de He-Ne

Las longitudes de onda importantes Las longitudes de onda importantes son :son :

λλ1=0.6328 [ mm] (632.8 [nm]), 1=0.6328 [ mm] (632.8 [nm]), λλ2 =1.152 2 =1.152

[mm], [mm], λλ3 =3.3913 [mm], 3 =3.3913 [mm], λλ4=0.5435 [mm]4=0.5435 [mm]

¿Para qué el helio?¿Para qué el helio?

El papel que juega el Helio es el de aumentar la El papel que juega el Helio es el de aumentar la eficiencia del proceso de amplificación láser.eficiencia del proceso de amplificación láser.

1. La excitación directa del Neón es muy 1. La excitación directa del Neón es muy ineficiente , al contrario que la del Helio ineficiente , al contrario que la del Helio 2. Un estado excitado del átomo del Helio 2. Un estado excitado del átomo del Helio (denominado E5 ) tiene un nivel de energía muy (denominado E5 ) tiene un nivel de energía muy similar a la energía de excitación del átomo de similar a la energía de excitación del átomo de Neón ( también denominada E5 ).Neón ( también denominada E5 ).

Láser en comunicacionesLáser en comunicaciones

A continuación A continuación muestro unas muestro unas características del características del láser de Lilburn láser de Lilburn W5KGJ:W5KGJ:

Láser en comunicacionesLáser en comunicaciones

—System Specifications Receiver Lens Diameter 25 mm Clear Aperture 22 mm Field of View 7.6° Noise Equivalent Power 10–8 W Optical Passband 620-1200 nm Optical Transmission 0.8 Detector Diameter 5 mm Audio Gain 96 dB

Láser en comunicacionesLáser en comunicaciones

Audio Passband 500-1500 HzAudio Output 5 V (RMS)Headphones 32 Ω

Láser en comunicacionesLáser en comunicaciones

Transmitter Wavelength 640 nm Power 3 mW Beam Divergence 0.5 × 1 milliradians Modulation AM, CW, data Modulation % 100 Microphone Electret System Power Supply 12 AA cells Size (including projections) 12×3×2.5 inches (LWH)

Láser en comunicacionesLáser en comunicaciones

Aunque está fuera de tema, Lilburn R. Aunque está fuera de tema, Lilburn R. Smith W5KQJ ha diseñado este equipo, Smith W5KQJ ha diseñado este equipo, con una longitud de onda de 6500 con una longitud de onda de 6500 Å para para efectuar experimentos en comunicaciones efectuar experimentos en comunicaciones ópticas, a muy, muy alta frecuencia ópticas, a muy, muy alta frecuencia . .

La presentación y el documento Word que La presentación y el documento Word que la acompaña están disponibles en la acompaña están disponibles en http://www.alberto.com.mxhttp://www.alberto.com.mx

BibliografíaBibliografía Beiser, Arthur, “The Laser”, Beiser, Arthur, “The Laser”, Concepts of Modern Concepts of Modern

PhysycsPhysycs, Mc-Graw Hill Inc, 5th Edition, pp 144-148., Mc-Graw Hill Inc, 5th Edition, pp 144-148. Thompson, Mauren, “Lasers and Amateur Radio”, Thompson, Mauren, “Lasers and Amateur Radio”, QEX QEX

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Smith, Lilburn, “A Lasser Transceiver for the ARRL 10-Smith, Lilburn, “A Lasser Transceiver for the ARRL 10-GHz-and-Up Contest”, GHz-and-Up Contest”, QEX Forum for Communications QEX Forum for Communications Experiments,Experiments, American Radio Rely League, Nov/Dic American Radio Rely League, Nov/Dic 2001, pp 11-19.2001, pp 11-19.

Arieli, Rami, “The Laser Adventure”, versión en español Arieli, Rami, “The Laser Adventure”, versión en español de la Universidad de Murcia, España, varios capítulos.de la Universidad de Murcia, España, varios capítulos.

Lasing, S.A. “¿Qué es el láser?”, Lasing, S.A. “¿Qué es el láser?”, http://www.lasing.comhttp://www.lasing.com

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