Estimad@s Client@s y/o amantes del LEAN:
Sirva el presente escrito como pequeño homenaje al, láser,
la luz de nuestro tiempo, al terminar el 2015, el año de la Luz
La ONU proclamó 2015 como Año Internacional de la Luz para
reconocer la importancia que la luz y las tecnologías basadas en ella tienen en
la vida cotidiana, en el desarrollo de la sociedad y en los retos a los que se
enfrenta la humanidad.
¿QUÉ SON LA EMISIÓN ESPONTANEA, LA EMISIÓN ESTIMULADA
Y LA INVERSIÓN DE POBLACIÓN?
Para comprender con detalle cómo funcionan los láseres hay
que entender primero cómo se produce la emisión de luz a nivel de los átomos y,
por tanto, hay que saber lo que es un átomo. Un átomo se puede considerar como
un núcleo alrededor del cual se mueven unos electrones con unas energías bien
determinadas. Los electrones no pueden poseer cualquier valor de la energía
sino solamente unos valores bien definidos que se identifican como niveles,
algo así como los peldaños de una escalera. Ahora bien, un electrón puede pasar
de un nivel de energía a otro emitiendo o absorbiendo una unidad de luz
(llamada fotón) con una energía igual a la diferencia entre los dos niveles de
la transición.
El átomo se puede considerar como un núcleo rodeado por
electrones que se mueven con unas energías bien definidas.
Cuando un electrón se encuentra en un nivel de energía
elevado, tiende a caer espontáneamente a un nivel de energía inferior con la
subsiguiente emisión de luz. Esto es lo que se llama emisión espontánea y es la
responsable de la mayor parte de la luz que vemos. Por otro lado, un fotón
puede estimular la caída de un electrón a un nivel inferior si tiene una
energía igual a la diferencia entre los dos niveles, en ese caso se
emitirá un segundo fotón idéntico al que ha inducido la transición.
Esta es la llamada emisión estimulada. El proceso contrario, aquel en el que el
fotón se absorbe induciendo la subida de un electrón a un nivel de energía superior,
se llama absorción estimulada.
El hecho de que la emisión estimulada produzca dos
fotones idénticos a partir de un fotón inicial es precisamente lo que permite
amplificar la luz y es también responsable de que la luz generada por emisión
estimulada sea coherente, es decir que las ondas electro-magnéticas que forman
el haz de luz marchen “al paso”. Pero, para que sea posible amplificar
la luz por emisión estimulada, es necesario además que en el medio activo
haya un número mayor de electrones en el nivel de energía superior que en el
inferior; esto es lo que se llama inversión de población. Si por el
contrario hubiera más electrones en el nivel inferior que en el superior,
entonces predominaría la absorción, y el medio amortiguaría la energía de la luz
en vez de amplificarla.
La inversión de población es el “principio vital” de
los láseres, y se consigue mediante el bombeo adecuado de ciertos
materiales con niveles de energía electrónicos metaestables, es decir, con
niveles de energía en los cuales los electrones tardan un tiempo relativamente
largo en desexcitarse por emisión espontánea, lo cual favorece precisamente la
acumulación de electrones en el estado de energía superior.
La luz láser se amplifica por emisión estimulada: por
cada fotón incidente se producen dos fotones idénticos.
¿CÓMO FUNCIONA UN LÁSER?
Cualquier láser contiene al menos tres elementos
fundamentales: un medio activo, un sistema de bombeo y una cavidad resonante. El
medio activo es el material (sólido, líquido o gaseoso) que emite la luz.
Para que emita luz el medio activo hay que excitarlo de alguna manera, del
mismo modo que el filamento de una bombilla necesita una corriente eléctrica
que pase por él; ese es el cometido del sistema de bombeo. El
sistema de bombeo puede consistir en otro láser, una lámpara convencional, o
una corriente o descarga eléctrica, dependiendo del tipo de láser. El
medio activo se coloca entre dos espejos que forman una cavidad resonante,
esto es, la luz rebota entre los dos espejos y ayuda a la amplificación del
mismo modo que la caja de resonancia de una guitarra amplifica las ondas
acústicas. Uno de los espejos es semi-reflectante por lo que parte de la luz
amplificada sale de la cavidad resonante en forma de haz.
El secreto del láser está en el medio activo que,
debidamente bombeado, debe posibilitar la inversión de población y la
emisión estimulada. Además de estos componentes básicos un láser puede
tener otros dispositivos intracavidad para modificar o controlar las
características de la luz emitida (longitud de onda, pulsación, etc.), o
elementos externos a la cavidad para amplificar la luz (a través de otro medio
activo con su correspondiente bombeo) o modificar la duración de pulso, tasa de
repetición, longitud de onda, polarización, etc.
Láser de rubí mostrando los componentes básicos de un
láser.
Estos dos objetos tienen más cosas en común de lo que
parece.
DIFERENCIAS ENTRE LA LUZ NORMAL Y LA LUZ LÁSER
Las diferencias más importantes
con la luz natural son las siguientes:
- La luz natural está
compuesta por muchas longitudes de onda, en cambio la luz láser está
compuesta por una longitud de onda precisa.
- La luz natural tiene
diversas frecuencias de intensidad en cambio la luz láser tiene una
frecuencia de alta intensidad, lo que hace que la luz natural se expanda
de forma desordenada y la luz láser lo hace de forma ordenada.
- La luz natural al tener
diversas longitudes de onda, todas ellas tienen máximos y mínimos
diferentes; en cambio la luz láser tiene todas sus ondas en fase.
TIPOS DE LÁSER UTILIZADOS EN MEDICINA
En medicina se
utilizan fundamentalmente tres tipos de emisores:
- Sólidos: como el
neodimio YAG.
- Tubo de gas, como
el de Helio-Neón, CO2 o Argón.
- Diodo: como el de AsGa y
AsGaAl.
Por su potencia y
peligrosidad se clasifican en categorías:
I y II.
- Potencia muy baja.
- Emiten luz roja
visible.
- No calienta ni producen
efectos en la piel.
- Pueden producir lesiones
oculares si se mira directamente y de forma prolongada el haz.
- Se utilizan en los
lectores de barras de los comercios, lectores de CD, impresoras láser, y
punteros para conferencias.
- No tienen aplicaciones
médicas.
III A y III B.
- Potencia media,
generalmente inferior a 50mW, con luz roja visible o infrarroja no
visible.
- Se utiliza en
fisioterapia en la llamada terapia por láser de baja intensidad (LLLT),
láser frió o láser blando.
- No tiene un efecto
térmico apreciable ni producen lesiones cutáneas en una aplicación normal,
pero son peligrosos si alcanzan los ojos.
- El riesgo mayor,
es porque no se ve y no contrae las pupilas.
- Paciente y terapeuta
deben usar gafas especiales de protección.
- Son usados en
fisioterapia con potencias de 20 – 100 mW.
IV.
- Potencia elevada.
- Producen destrucción
tisular, incluso con vaporización de los tejidos.
- Se utilizan en cirugía
para coagulación o corte, para el tratamiento de tumores, para eliminar
capas superficiales de la piel y cauterizaciones puntuales en
oftalmología.
- Algunos láseres de gran
potencia, como el CO2 se pueden utilizar en fisioterapia en dosis bajas.
LÁSERES PARA FISIOTERAPIA
Leer más: http://www.monografias.com/trabajos38/laser-terapeutico/laser-terapeutico2.shtml#ixzz3vdg5iQZ2
TIPOS DE LÁSER UTILIZADOS PARA EL CORTE DE METALES
¿Qué gases se utilizan para generar el láser y durante el
corte?
Normalmente, en los llamados láseres de CO2 el medio activo comprende una mezcla de CO2 (dióxido de carbono) con N2 (nitrógeno) y He (helio).
La óptima proporción de estos tres gases en la mezcla depende del sistema láser y del mecanismo de excitación.
Es conveniente recordar que el sistema de corte laser es un proceso de corte térmico, al igual que el corte por plasma y el oxicorte. En el sistema de corte laser se combina la energía de un “haz enfocado” con un gas de asistencia, el cual es introducido a través de una boquilla coaxial al haz enfocado.
La alta velocidad de este chorro de gas de asistencia sirve para:
ayudar
a remover el material quemado, fundido o vaporizado, por la parte inferior de
la pieza que se está cortando.
proteger
las lentes de la escoria eyectada desde la zona de corte, especialmente durante
la perforación.
en
algunas combinaciones de material/gas, para aumentar las velocidades y la
calidad de corte.
Normalmente se utilizan como gas de asistencia, dos tipos distintos; una posibilidad es utilizar un gas reactivo (como por ej. “oxígeno”) y la otra es cortar utilizando un gas inerte (como por ej. “nitrógeno”).
Cuando se requieren bordes de corte libres de óxido entonces debe utilizarse un gas inerte. Igualmente en los casos donde el material reacciona fuertemente con el oxígeno, como por ejemplo el titanio.
Distintos procesos de corte laser
En el proceso de corte laser podemos distinguir tres situaciones distintas:
Corte por sublimación laser: La alta intensidad del haz laser vaporiza el material directamente en el punto de trabajo. Luego, por lo general se usa un gas inerte para cortar, o sea, para expulsar el material y generar la ranura de corte. Esta situación la encontramos principalmente restringida al corte de sustancias no metálicas, como ser madera, papel, cerámica o plástico.
Corte por fusión laser: Aquí, el material fundido o derretido por el haz laser es expulsado por medio de nitrógeno, generando la ranura de corte. El nitrógeno es inyectado en la boquilla a alta presión (hasta 20 bar) y al salir de ella por una pequeña perforación de la punta, se convierte en un chorro de alta energía cinética. La fusión laser es particularmente utilizada en el corte de aceros cromo-níquel o aluminio libre de óxido, produciendo superficies de corte metalúrgicamente limpias.
Corte por quemado laser: El haz de laser calienta el material hasta su temperatura de encendido. Aquí se usa oxígeno como gas de corte. Después de alcanzada la temperatura de encendido, el material “se quema” con un chorro de oxígeno, generando una reacción exotérmica. La escoria producida es expulsada por medio del gas de corte generando la ranura de corte. Este proceso es particularmente utilizado para el corte de aceros dulces y en menor escala para cortes de acero inoxidable.
Normalmente, en los llamados láseres de CO2 el medio activo comprende una mezcla de CO2 (dióxido de carbono) con N2 (nitrógeno) y He (helio).
La óptima proporción de estos tres gases en la mezcla depende del sistema láser y del mecanismo de excitación.
Es conveniente recordar que el sistema de corte laser es un proceso de corte térmico, al igual que el corte por plasma y el oxicorte. En el sistema de corte laser se combina la energía de un “haz enfocado” con un gas de asistencia, el cual es introducido a través de una boquilla coaxial al haz enfocado.
La alta velocidad de este chorro de gas de asistencia sirve para:
ayudar
a remover el material quemado, fundido o vaporizado, por la parte inferior de
la pieza que se está cortando. proteger
las lentes de la escoria eyectada desde la zona de corte, especialmente durante
la perforación. en
algunas combinaciones de material/gas, para aumentar las velocidades y la
calidad de corte.Normalmente se utilizan como gas de asistencia, dos tipos distintos; una posibilidad es utilizar un gas reactivo (como por ej. “oxígeno”) y la otra es cortar utilizando un gas inerte (como por ej. “nitrógeno”).
Cuando se requieren bordes de corte libres de óxido entonces debe utilizarse un gas inerte. Igualmente en los casos donde el material reacciona fuertemente con el oxígeno, como por ejemplo el titanio.
Distintos procesos de corte laser
En el proceso de corte laser podemos distinguir tres situaciones distintas:
Corte por sublimación laser: La alta intensidad del haz laser vaporiza el material directamente en el punto de trabajo. Luego, por lo general se usa un gas inerte para cortar, o sea, para expulsar el material y generar la ranura de corte. Esta situación la encontramos principalmente restringida al corte de sustancias no metálicas, como ser madera, papel, cerámica o plástico.
Corte por fusión laser: Aquí, el material fundido o derretido por el haz laser es expulsado por medio de nitrógeno, generando la ranura de corte. El nitrógeno es inyectado en la boquilla a alta presión (hasta 20 bar) y al salir de ella por una pequeña perforación de la punta, se convierte en un chorro de alta energía cinética. La fusión laser es particularmente utilizada en el corte de aceros cromo-níquel o aluminio libre de óxido, produciendo superficies de corte metalúrgicamente limpias.
Corte por quemado laser: El haz de laser calienta el material hasta su temperatura de encendido. Aquí se usa oxígeno como gas de corte. Después de alcanzada la temperatura de encendido, el material “se quema” con un chorro de oxígeno, generando una reacción exotérmica. La escoria producida es expulsada por medio del gas de corte generando la ranura de corte. Este proceso es particularmente utilizado para el corte de aceros dulces y en menor escala para cortes de acero inoxidable.
¿QUÉ ES UN LÁSER PULSADO?
Un láser pulsado es un láser que emite luz en forma de
pulsos (flashes), al contrario que los láseres que emiten luz de manera
continua. Los láseres pulsados pueden emitir pulsos de muy corta duración,
hasta unos pocos femtosegundos, a un ritmo de miles de pulsos por segundo, y
por tanto permiten estudiar fenómenos ultra-rápidos en la naturaleza,
como el movimiento de los electrones en una molécula.
RAYOS X GENERADOS POR LÁSER
La generación de rayos X mediante láseres se produce cuando
un láser ultracorto y ultraintenso se focaliza en un material (en
principio cualquier material) alcanzado intensidades del orden de 10 16 Wcm-2.
En el CLPU el láser que utilizamos tiene las siguientes características:
Ti:Zafiro, 800 nm, 1 mJ de energía por pulso, 1 kHz de tasa de repetición, y
120 fs (1 fs=10-15 s) de duración temporal. Como comentábamos antes, la
longitud de onda pertenece a la zona infrarroja del espectro electromagnético,
pero lo importante son las altísimas intensidades que se pueden alcanzar. En
este régimen de intensidad la materia se ioniza completamente, es decir “se
rompe” en iones y electrones, produciéndose lo que llamamos un plasma.
Si la intensidad alcanzada es lo suficientemente alta, la
generación del plasma se produce en los primeros estadios del pulso láser, es
decir, antes de que se alcance el máximo de energía. Así el plasma generado en
los primeros instantes de la interacción puede acoplarse con la parte restante
del pulso láser y de esta forma ganar energía. De una manera más precisa, una
vez que se genera el plasma los electrones de éste son extraídos por el
campo eléctrico del láser, acelerados y re-inyectados en el plasma generándose
así rayos X (recordemos que la luz es una onda electromagnética y los
campos eléctricos y magnéticos oscilan).
Las diferencias de la generación de rayos X mediante
interacción láser-materia con respecto a las técnicas habituales (tubos
de rayos X o radiación sincrotrón) son fundamentalmente dos. Por un lado,
disponemos de una fuente puntual de radiación. Cuando enfocamos nuestro
láser con un objetivo de microscopio, podemos llegar a tener un foco de hasta 1
micra de radio, aunque en la práctica la alta intensidad del láser da lugar a
fenómenos no lineales en la propagación limitando considerablemente el tamaño
de foco. Aún así, es lo suficientemente pequeño (del orden de 200 micras)
cómo para producir radiografías de una alta resolución. En la imagen,
por ejemplo, podemos ver la radiografía que se hizo con este sistema a unaxylocopa
purpurea (abejorro carpintero europeo)
Otra ventaja de esta fuente es la duración temporal.
Recordemos que la duración temporal del pulso láser es de unos 130 fs, siendo
esta la escala temporal en que se están acelerando los electrones en el blanco.
De esta forma tanto la radiación X como los electrones acelerados se producen
en “paquetes” con una duración temporal similar a la del pulso láser.
CÓMO FUNCIONA LA FIBRA ÓPTICA
Tener un poco de paciencia para ver los tres
experimentos…merece la pena
DIFRACCIÓN CON UN LÁSER
La difracción puede ser entendida a nivel fenomenológico
usando el principio de Huygens, según el cual un frente
de onda se puede visualizar como una sucesión de emisores puntuales,
que reemiten la onda al oscilar en respuesta a ella y contribuyen
así a su propagación. Aunque cada oscilador individual genera una onda
esférica, la interferencia de todas ellas da lugar a una onda plana que viaja
en la misma dirección que la onda inicial. Cuando el frente de onda encuentra
un obstáculo los emisores correspondientes al extremo del frente de onda
obstruido no tienen otros emisores que interfieran con las ondas que ellos
generan, y estas se aproximan a ondas esféricas o cilíndricas. Como
consecuencia, al adoptar el frente de onda una forma redondeada en donde fue
recortado, la dirección de propagación de la onda cambia, girando hacia el
obstáculo. Se suele decir que la onda "dobla" las esquinas.
Láser difractado por una abertura circular
Láser difractado por una rendija cuadrada.
Láser difractado por una rendija hexagonal.
DIFRACCIÓN DE RAYOS X
En el espectro electromagnético los rayos X tienen
longitudes de onda similares a las distancias interatómicas en la materia. Es
posible por lo tanto utilizar la difracción de rayos X como un método
para explorar la naturaleza de los cristales y otros materiales con estructura
periódica. Esta técnica se utilizó para intentar descubrir la estructura
del ADN, y fue
una de las pruebas experimentales de su estructura de doble hélice propuesta
por James Watson y Francis
Crick en 1953.
La difracción producida por una estructura cristalina verifica la ley de
Bragg.
EXPERIMENTOS CASEROS CON LÁSER ( del Centro de Láseres
Pulsados, de Salamanca )
Los experimentos son:
-Refracción y reflexión de la luz
-Difracción de la luz
-Espectrómetro casero
-Polarización de la luz
-Transmisión de señales mediante láser
Que disfrutéis cada día de este año 2016
Un cordial saludo
Alvaro Ballesteros
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