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El LÁSER y la amplificación de la luz

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Publicado el 3/4/2021

El láser está por todas partes. Ciencias, medicina, industria... El campo es amplio, muy amplio. El término LÁSER significa Light Amplification by Stimulted Emission of Radiation, lo que se traduce por Amplificación de luz por Emisión estimulada de Radiación. Utilizado en el ejército, el fabricante de armas Lockheed Martin desarrolló, por ejemplo, un sistema de torreta láser antimisiles para la protección de buques. También se utiliza en el área de la medicina, en particular para la cirugía refractiva, lo que permite corregir la miopía. La industria lo usa para la mecanización o también para captores. Pero, ¿de verdad conocemos el funcionamiento de sus sistemas?



El Láser, ¿cómo funciona?


Para comprender el funcionamiento de un láser, es importante visualizar la composición de la materia. Cualquier elemento se compone de átomos relacionados entre ellos de diversas maneras. Se puede esquematizar un átomo como un elemento compuesto de nucleones (protones y neutrones) y de capas de electrones. Los electrones de diferentes capas tienen niveles de energía distintos.

Esquema de un átomo y de sus capas electrónicas



Hay que comprender lo que es un quántum. Es la cantidad más pequeña indivisible que se usa en física. Para las ondas electromagnéticas, el quanta de energía es el fotón, es el nivel más pequeño de energía indivisible asociado a las ondas electromagnéticas. Esto afecta las ondas radio, los rayos X o UV...



Para comprender, una demostración ilustrada


Para entender lo que viene a continuación, hay otros dos puntos a asimilar. Pequeña demostración y referencias mangas: ¿conoce a Dragon Ball y Naruto? Pregunta rara, ¿no le parece? Pero tiene un vinculo con el tema. En el manga Dragon Ball, cuando el héroe Goku se concentra, puede aumentar su nivel de energía y alcanzar otro nivel. Acumula su energía y utiliza el Kaioken. Más tarde, se descubre que es capaz de pasar a un nivel superior llamado súper Saiyan, y luego Saiyan 2, etc. En cada evolución, Goku desprende una potencia cada vez más elevada.



Evolución progresiva de los estados de Son Goku: Normal, Kaioken, Saiyan 1, Saiyan 2 y Saiyan 3



Para los más jóvenes, también se puede utilizar la analogía de Naruto. Cuando este pierde el control y que Kyubi toma el control de su cuerpo, se le ve crecer una cola de shakra. Cuanto más pierde el control, mayor es el número de colas, y el personaje gana más fuerza y energía.

Transformación progresiva de Naruto: Normal, Demonio de 1 cola, demonio de 2 colas y demonio de 3 colas




A continuación, el vínculo con los láseres: cuando un electrón que presenta un nivel de energía E1 recibe un fotón (de energía E=hv), el electrón va a absorber la energía del fotón. Pasa entonces a un nivel E2. Se habla de absorción. En esta fase, el electrón gana en energía y pasa a otro nivel.

Si llevamos este razonamiento a Goku o a Naruto:

Goku se concentra y absorbe la energía, pasa al modo Kaioken.


Esquema de los efectos de la absorción de energía en Goku



Esquema de la absorción de energía en Naruto




En el caso de Naruto, absorbe shakra de zorro y se halla en la fase de demonio zorro con 1 sola cola aparente.


Nuestros dos personajes van a pasar del grado E1 al grado E2 después de haber absorbido energía (un fotón E-Hv). Luego van a usar este excedente de energía para lanzar súper ataques (kame hame ha, razengan, etc.), pero, después de haber gastado una gran cantidad de energía, vuelven a su nivel inicial.

Para los electrones, es el mismo fenómeno. Absorben fotones y pasan de un nivel E1 a un nivel E3. Luego van a liberar energía para pasar a un nivel E2, que se ubica entre el nivel E1 y E3. Esta liberación de energía es una emisión no radiactiva, lo que significa que liberan una energía que no es visible. Para terminar, para pasar del nivel E2 al nivel E1, liberan energía bajo forma de fotones de una frecuencia especifica. Esta emisión es la emisión radiactiva. Es nuestra famosa emisión LÁSER.




Variación de niveles de energía en un electrón para la emisión estimulada


Inmersión en medio del LÁSER


Un LÁSER se compone de tres elementos principales:

Una bomba

Un medio activo

Una cavidad

La bomba es el punto de partida de la emisión LÁSER. Va a generar los fotones y mandarlos al sistema. Esos fotones serán absorbidos por los electrones del medio activo que, cuando estén lo suficientemente cargados, va a emitir dos fotones idénticos, después de absorber uno.




Esquema de un electrón durante una emisión estimulada





Los fotones emitidos por esos electrones van entonces a ser absorbidos por los electrones a proximidad. Esos electrones van a cambiar de nivel de energía y, luego, descargarse por emisión espontánea. Ésta genera dos fotones adicionales para cada electrón que se desactiva. Este fenómeno va a propagarse de electrón en electrón y tener un efecto bola de nieve. Es la razón por la cual se habla de luz amplificada. Cuanto más se propaga el fenómeno, más electrones pasan del nivel E1 al E3 : se habla entonces de la fase de bombeo. En el medio activo, cuando en la cavidad haya más electrones en el nivel E3 que en el nivel E1, se estará en la fase de inversión de población.


Esquema de la inversión de población





Es un poco una invasión de zombis. Un primer zombi muerde a una persona. Esta persona contaminada va a morder a otra, que morderá a otra, y así sucesivamente. Es la fase de bombeo. Al final, cuando hay más zombis que humanos, hay una « inversión de población ».

El medio activo es un medio compuesto de un material que permite amplificar la luz. Para crear la reacción explicada más arriba, se usa con más frecuencia medios compuestos de cristales. Por ejemplo el zafiro, el cromo, el silicato... No podemos utilizar cualquier material : tan solo algunos pueden crear esta amplificación de la luz.








La cavidad, donde tiene lugar la amplificación de luz


La cavidad LÁSER es la parte que contiene el medio activo y permite dirigir el flujo. En una extremidad de la cavidad hay un espejo, frente a éste, al otro lado de la cavidad, hay un espejo semireflectante (el espejo de salida). Durante la fase de bombeo, los fotones emitidos por los diferentes electrones van a « rebotar » en la cavidad contra los espejos. Si un fotón impacta uno de los dos espejos, ésta es enviado al otro lado de la cavidad, y debe entonces atravesar un nuevo medio activo. Lo que tiene como consecuencia que aun puede participar en la emisión estimulada. Es de esta manera como se crea el efecto bola de nieve, y así, la amplificación de la luz.



Esquema de una cavidad óptica de LÁSER



La distancia entre los dos espejos por una parte y por la otra de la cavidad debe estar perfectamente controlada para estar seguro de que el haz láser que sale de la cavidad tenga una longitud de onda lo más fina posible. Se busca una onda monocromática. Entonces, se va a intentar tener entre los espejos una distancia igual a x*λ (siendo λ la longitud de onda que se quiere favorecer).



Las perspectivas de un porvenir para el láser


El láser es una tecnología que se ha universalizado ampliamente. Aunque se controle bastante bien esta herramienta, existen numerosas limitaciones en su uso. La potencia emitida por los láseres puede estar aumentada al reducir el tiempo de emisión del haz. Es el principio de los láseres ultra cortos. Éstos desprenden una energía importante gracias a su bajo tiempo de emisión. En el futuro, se podría pensar en un aumento de su potencia, pero también en la finura de la longitud de onda del haz emitido. Viendo todos los campos de aplicación, permitiría aumentar la producción en los marcos de la mecanización láser, y su precisión con emisiones cada vez más breves.

Un mejor control de los haces láseres también volverá posible grandes avances en la calidad de imágenes obtenidas en holografía láser. Todas las potencialidades del láser aun no fueron sondadas, pero es muy probable que esta tecnología traigagrandes progresos en múltiples áreas.





Fuentes :

1.http://lamh.gmc.ulaval.ca/opus/physique534/optique/laser08.shtml

2.http://www.perrin33.com/biochanalys/photons/absfluo-uvvisible-3.php

3.https://fr.wikipedia.org/wiki/Saphir

4.https://www.lockheedmartin.com/en-us/capabilities/directed-energy/laser-weapon-systems.html

5.https://www.medicalexpo.fr/prod/limmer-laser/product-69117-672245.html

6.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adom.201500531?casa_token=2r7neQsWhekAAAAA%3AqVHoqisu_z2vROnjFmwp48RShyafKe3nbRSgE6aAhpBivlNSVs8MmCgVcFrwpGIfzK9-K4phFXZWlzpAOrganic Single Crystal Lasers: A Materials View: Johannes Gierschner, Shinto Varghese,Soo Young Park.

7. https://www.pourlascience.fr/sd/physique/les-lasers-dintensite-extreme-2516.php





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