Laser. Parte 2

Hola amigos de Steemit:

Continuemos el tema de los Laser .
En el post anterior https://steemit.com/stem-espanol/@emily61/laser-se-volvio-tan-cotidiano-que-no-me-pregunto-como-funciona quedamos que el primer Laser se basó en un rubí.

La configuración básica se esquematiza en la figura 1.

El rubí es un zafiro (Oxido de Aluminio Al₂O₃) con impurezas de cromo y de ahí su coloración roja y los átomos de cromo son los que dan la propiedad de ser laser-activo.
La formación de un destello de luz laser sigue el siguiente proceso:

1. Todos los átomos de cromo se encuentran en el estado básico estable, es decir, el electrón laser- activo se encuentra en su nivel base.
2. Se conecta un tubo de descargas, que irradia fotones violetas, azules y verdes muy energéticos sobre el rubí que excitan a los electrones y los hacen saltar a niveles más externos por absorción de esos fotones (llamados de bombeo). En nanosegundos los electrones regresan saltando de órbita en órbita, hasta quedar en un estado de activación metaestable del átomo de cromo.
3. El sistema queda formado por átomos de cromo activados. En un momento dado un electrón salta espontáneamente de su órbita metaestable al orbital base y emite un fotón rojo con la energía correspondiente a la diferencia (N₂-N₁)ħν. Este fotón choca con otro átomo de cromo activado y lo hace producir una emisión inducida, el electrón activado de este átomo regresa a su estado base y emite un fotón rojo que irá en la misma dirección del primer fotón rojo emitido. El proceso se repite y se forma una cascada.
4. Los fotones con vector de onda paralelos al eje del cilindro de rubí son reflejados por los espejos y liberan otros electrones de átomos de cromo activados.
5. El proceso se repite y va aumentando progresivamente y la intensidad del rayo de luz roja va en aumento.
6. El rayo de luz laser sale paralelo al eje en forma de un haz muy condensado a través de la superficie semitransparente de uno de los extremos del cilindro.

A este punto, es importante establecer que es un estado metaestable. En un proceso de emisión de luz de una bombilla los saltos entre las orbitas es del orden de nanosegundos, pero hay estados en los elementos laser-activos donde pueden permanecer por lapsos de tiempo millones de veces mayor, estos estados son llamados metaestables. Esto propicia la inversión de poblaciones (los electrones quedan “retenidos” en estos niveles) y de acá surge un concepto interesante: temperatura negativa.
En el laser se logra obtener que para dos niveles de energía de E₁ y E₂ donde N₂>N1 y E₂>E₁, esto implica una inversión de poblaciones y si se aplica la relación de Maxwell N₂=N₁e^{- ħν/kT} se deduce una temperatura negativa.
Ojo: La Temperatura Negativa surge de aplicar la estadística de Maxwell- Boltzmann, cuya validez es en el límite clásico, a un sistema que es cuántico.
¿Qué es lo que caracteriza al rayo laser que sale del cilindro de rubí y lo diferencia de un rayo de luz normal y corriente? La diferencia es que en el rayo de luz emitido por el laser aparecen los términos: condensado, coherente, pureza espectral y su intensidad.
El laser de rubí es un sistema de tres niveles que esquematizo en la figura 2 y para crear la inversión de población se usa un bombardeo óptico.

Otros materiales usados en laser sólidos:

Existen otros materiales sólidos susceptibles a producir inversión de poblaciones. Se pueden mencionar que hay emisiones laser en el uranio, samario, neodimio, talio entre otros.
En los laser mencionados se utilizan átomos que presentan cuatro niveles. El nivel inferior de la transición laser no es un estado fundamental, sin embargo se encuentra muy próximo y por lo tanto, estos laser funcionan mejor, generalmente, a bajas temperaturas.
Usando un cristal de fluoruro de calcio (CaF₂) con impurezas de uranio, se obtiene una emisión laser.
También se encuentran los laser semiconductores, un ejemplo es el arseniuro de galio (GaAs) a los que se le han introducido impurezas de manera conveniente.

Laser en otros estados:
Los laser de gas funcionan por:

1. Colisiones electrónicas:
2. Transferencia de energía
3. Emisión espontanea
4. Absorción
5. Emisión estimulada
   El primer laser de gas que funcionó en el rango óptico fue de helio-neón (Javan, 1961). También se han diseñado de gases nobles puros (neón, argón, criptón y xenón).
   Otro tipo de laser gaseoso es el que está integrado por moléculas, como por ejemplo CO₂: en estos casos se utilizan los niveles vibracionales.
   Los laser sólidos alcanzan, en general, potencias bastante elevadas pero tienen baja coherencia. En los laser de gas ocurre lo contrario. Por ello se buscó en los líquidos la conciliación. Se ha trabajado en soluciones líquidas de complejos de tierras raras, en soluciones de alcoholes y otras más.

Aplicaciones del laser:

Dado que el laser puede concentrar en un pequeño punto una energía del orden de 10⁸ vatios, cualquier material terreno, incluso el diamante (el más duro) pueden ser destruidos por este. Así un laser permite cortar, perforar de manera precisa desde telas en una fábrica de ropa, pasando por las joyerías en el tallado de piedras preciosas o en el excavado de túneles.
Tal como se mencionó en el 1er post sirvió para mediciones de alta precisión en distancias debido a que un rayo no se dispersa aun a grandes distancias. Otras aplicaciones:
• Fusión Nuclear por Láser
• Discos Ópticos y CDs
• Escáner de Código de Barra
• Impresión por Láser
• Tratamiento de Calor
• Medicina
• Medición de velocidad de móviles.
• Estética
• Comunicación
• Espectrospia
• Refrigeración Laser
• Iluminación en los conciertos y eventos.
• La holografía
Esta última me gustaría desarrollarla en un post siguiente.

Figura 3

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Figura 4
Las figuras 1 y 2 fueron realizadas en powerpoint y paint de microsoft.
Las figuras 3 y 4 son cortesía de pixabay
https://pixabay.com/es/l%C3%A1ser-corte-m%C3%A1quina-plasma-2819143/
https://pixabay.com/es/photos/?q=laser&hp=&image_type=&order=&cat=&min_width=&min_height=

Referencias:

1. Maechtle, W. La física. Círculo de Lectores. 1974.
2. Launois, D. La Electrónica Cuántica. Oikos-tau, S.A. 1970.
3. Kittel, C. Introducción a la Física del Estado Sólido. Editorial REVERTE. 1981.