Wikichicos: Cómo funcionan las cosas/Láser
Un láser es un dispositivo que puede producir un haz brillante de luz coloreada que se concentra en un punto. Normalmente, una bombilla brilla en blanco porque emite luz de todos los colores que podemos ver. Lo hace calentando un hilo de alambre hasta que brilla.
El láser funciona de forma muy diferente, por lo que puede hacer un haz muy estrecho con un solo color. Láser es el acrónimo de Amplificación de la Luz por Emisión Estimulada de Radiación.
¿Quién lo inventó?[editar]
Las ideas que llevaron a la invención del láser fueron descubiertas por Albert Einstein en 1916. Pero no fue hasta 1953 cuando se pusieron en práctica. En realidad, el primer láser se llamaba máser, porque utilizaba microondas. (Es el mismo tipo de energía que se utiliza en un horno microondas).
Charles Townes y dos de sus estudiantes fabricaron el primer máser, pero sólo funcionaba durante breves periodos de tiempo.
Dos científicos de la Unión Soviética (Rusia) llamados Nikolay Basov y Aleksandr Prokhorov descubrieron cómo hacer que el máser permaneciera encendido. Estos tres hombres ganaron el Premio Nobel en 1964 por su descubrimiento.
La primera idea de un láser fue de Charles Townes y Arthur Schawlow. Gordon Gould trabajó en la idea y la plasmó en un artículo en 1959. En este artículo se utilizó por primera vez la palabra láser.
El primer láser operativo fue inventado por Theodore Maiman y demostrado el 16 de mayo de 1960.
¿Cómo se alimenta?[editar]
Un láser funciona con electricidad. La corriente eléctrica le proporciona la energía que necesita para emitir luz.
¿Cómo funciona?[editar]
El nombre del láser es un acrónimo que proviene de las primeras letras del nombre, "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation". Es una forma de decir que se crea un haz de luz brillante bombeando energía a un material.
La radiación de energía entra en el material desde una fuente exterior y bombea o excita el material. Los átomos del material pasan a un estado de excitación/movimiento rápido al absorber esta energía.
Un solo paquete de luz se denomina fotón. Esta palabra procede del nombre griego de la luz. Cuando un fotón de un color determinado pasa por un átomo excitado, hace que ese átomo libere un fotón del mismo color. Así, la luz total se vuelve ligeramente más brillante y los fotones siguen moviéndose a través del material. Al hacerlo, pasan junto a otros átomos excitados. Éstos también emiten fotones del mismo color. Como resultado, la luz se amplifica/brilla, creando un rayo láser brillante de un solo color.
El haz de luz hace que todos los átomos excitados emitan su energía en forma de fotones. Normalmente, toda la luz se alejaría hasta ser absorbida por una barrera. Sin embargo, si se bombea más energía al material, éste mantendrá encendido el rayo láser.
Un láser se fabrica con un espejo en cada extremo del material. Los fotones de luz rebotarán entre estos espejos, provocando la emisión de más fotones.
Láser de rubí[editar]
Las partes[editar]
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Algunos láseres sólo tienen diodos. La siguiente imagen muestra un diodo láser, similar a un diodo emisor de luz. Se corta por la mitad para que puedas ver sus partes.
- La siguiente imagen muestra un láser de rubí... El primer láser que funcionó fue un láser de rubí, y se inventó en 1960.
Está cortado por la mitad para que se puedan ver sus partes. El tubo rojo brillante del centro es un cristal de rubí. De ahí saldrá el rayo láser cuando se encienda el láser.
Si te fijas bien en la imagen, verás que hay dos espejos redondos, uno en cada extremo del cristal de rubí. El espejo situado en el extremo más alejado se denomina "espejo totalmente reflectante". Toda la luz que llega a este tipo de espejo rebota de nuevo en él.
El espejo situado en el extremo cercano del cristal se denomina "espejo parcialmente reflectante". Este tipo de espejo refleja la mayor parte de la luz, pero parte de ella puede atravesarlo.
Alrededor del cristal de rubí se enrolla un tubo de cuarzo. Se llama "tubo de destello de cuarzo", y cada uno de sus extremos está conectado a una fuente de alimentación, formando un circuito eléctrico. En la foto de arriba, el tubo de cuarzo es transparente para que se vea mejor el cristal.
Todas estas piezas están dentro de un cilindro de aluminio. El cilindro está muy pulido, como un espejo curvado.
Encendido[editar]
Cuando se enciende la fuente de alimentación eléctrica, fluye una corriente a través del tubo de flash de cuarzo y éste emite una ráfaga de luz muy brillante. El cilindro reflectante que rodea el tubo de flash ayuda a enfocar toda esa luz sobre el cristal de rubí.
¿Qué ocurre en el interior del cristal?[editar]
Como todo lo demás, el cristal de rubí está formado por átomos. Un átomo real es tan diminuto que no se puede ver, ni siquiera con un microscopio muy potente. En esta foto son mucho más grandes para que puedas verlos:
La luz del tubo de cuarzo incide sobre los átomos del cristal. Algunos de los átomos absorben la luz, lo que les da más energía. Se dice que están en un "nivel de energía superior". Para volver a su nivel de energía anterior, deben deshacerse de la energía extra que obtuvieron de la luz. Para ello, emiten una pequeña partícula de luz llamada "fotón". Los científicos llaman a este proceso "emisión estimulada de radiación" porque los átomos son estimulados por la luz brillante, provocando la emisión de un fotón de luz, y la luz es un tipo de radiación. La siguiente imagen muestra los átomos emitiendo fotones.
Por supuesto, en la realidad los fotones son mucho más pequeños que los de la imagen. Los fotones son incluso más pequeños que los átomos.
¿Adónde van los fotones?[editar]
Cuando son emitidos por los átomos, los fotones de luz salen disparados en todas direcciones.
A veces pasan cerca de otro átomo, y cuando eso ocurre, el otro átomo también puede emitir un fotón.
Y si el fotón del otro átomo pasa cerca de otro átomo, éste también puede emitir un fotón. Así, el número de fotones aumenta muy rápidamente y el interior del láser se vuelve muy brillante y caliente. Un sistema de refrigeración por agua evita que se sobrecaliente.
¿Cómo se forma el rayo láser?[editar]
Cuando los fotones de luz chocan contra los espejos, se reflejan en ellos. Muchos de los fotones rebotan entre los espejos, pasando por encima de los átomos y provocando la emisión de más fotones. Los científicos llaman a esto "amplificación de la luz", porque la luz (hecha de fotones) se amplifica (se hace más brillante).
Con tantos fotones yendo y viniendo entre los espejos, muchos de ellos escapan del cristal a través del espejo parcialmente reflectante de la parte delantera. En la siguiente imagen se muestran algunos de estos fotones.
El rayo láser está formado por muchos millones de estos fotones, que escapan del cristal a través del espejo frontal.
Todo el proceso, desde que se pulsa el interruptor hasta que aparece el rayo láser, ocurre en un abrir y cerrar de ojos.
¿Es peligroso?[editar]
La luz de un rayo láser puede llegar a ser muy brillante. Si tiene suficiente energía, este haz puede causar daños en los ojos. No se debe mirar directamente a un rayo láser. Cuando los científicos trabajan con láseres muy potentes, deben llevar gafas de seguridad sobre los ojos para evitar lesiones. Incluso un rayo láser débil puede dañar los ojos si se mira directamente durante mucho tiempo.
¿Qué hace la luz?[editar]
Un fotón de luz se desplaza por el espacio como una onda. Al igual que una ola que se mueve por el agua, oscilando arriba y abajo, una onda de luz tiene una velocidad a la que vibra. Este ritmo se denomina frecuencia, y es el ritmo de vibración el que determina el color que vemos.
Una bombilla normal emite muchos fotones de luz a distintas frecuencias. Como resultado, vemos la luz de la bombilla como blanca. Sin embargo, un láser sólo emite fotones con una única frecuencia. Esta luz se denomina monocromática, palabra que significa de un solo color.
Al igual que una compañía de soldados que desfilan al mismo tiempo, los fotones de un láser también se mueven al unísono. Esto se llama coherencia. Es una propiedad muy útil de un láser debido a la forma en que las ondas interactúan entre sí. Es esta propiedad de la coherencia, por ejemplo, la que permite a los láseres hacer hologramas, que son imágenes que pueden formar una imagen tridimensional.
Por último, la luz de un láser se mueve toda en la misma dirección. La luz de una linterna sale en forma de cono y la intensidad del haz disminuye a medida que nos alejamos. En cambio, el haz apretado de un láser se mantiene brillante a distancias mucho mayores.
Estas tres propiedades del láser: monocromático, coherencia y haz estrecho, son útiles en muchas aplicaciones. Actualmente, los láseres se utilizan en una gran variedad de dispositivos. (Véase más abajo "¿Cómo ha cambiado el mundo?" para ver una lista de ejemplos).
¿Cómo varía?[editar]
Los láseres pueden diferenciarse entre sí por la frecuencia de la luz que emiten. La frecuencia depende de los tipos de materiales utilizados para fabricar el láser. Esto se debe a diferencias en las propiedades de los átomos.
Los láseres también pueden variar en el brillo, o intensidad, del haz de luz que emiten. Los láseres más débiles son bastante inofensivos y pueden utilizarse en un aula para señalar lugares en la pantalla de un proyector. Algunos de los láseres más potentes pueden atravesar rápidamente rocas sólidas o chapas metálicas.
Existen varios tipos de láser. El material utilizado para crear el haz puede ser un sólido, como un trozo de rubí. También se pueden utilizar algunos líquidos y gases para fabricar un láser. Los láseres también pueden fabricarse con materiales similares a los utilizados para fabricar chips informáticos. Se denominan materiales semiconductores por sus propiedades eléctricas.
¿Cómo han cambiado el mundo?[editar]
Los láseres son aparatos muy útiles y se han incluido en muchos dispositivos. Para guiar la luz de un láser se puede utilizar un material llamado fibra óptica, que sirve para que los ordenadores se comuniquen entre sí. Los láseres también se utilizan en las unidades de CD y DVD para leer los pequeños huecos de un disco. (Véase Cómo funcionan las cosas: DVD)
La luz láser viaja en línea muy recta. Los haces de luz rectos pueden utilizarse para medir grandes distancias y para mantener las cosas alineadas cuando se construyen puentes y edificios. Los soldados utilizan el láser para guiar un cohete hacia un objetivo.
Los láseres más potentes pueden cortar metales duros. Se utilizan para cirugía muy fina, como arreglar un ojo que no ve bien. Pueden utilizarse para eliminar un tatuaje o una marca de nacimiento.
¿Qué idea(s) y/o inventos tuvieron que desarrollarse antes de su creación?[editar]
Para crear el láser, los científicos tuvieron que explicar antes cómo funcionaba el átomo. Tuvieron que inventar la teoría llamada "mecánica cuántica", que dice que la luz y otras partículas muy pequeñas vienen todas en paquetes llamados cuantos.
La teoría de la mecánica cuántica dice que un átomo sólo puede almacenar energía en determinadas cantidades. Dentro de un átomo hay pequeñas partículas negativas llamadas electrones que pueden absorber energía. Cuando un electrón recibe la cantidad justa de energía, puede saltar a un nivel superior. Al hacerlo, entra en un estado excitado, lo que significa que tiene más energía. Más tarde, el electrón puede liberar esta energía y volver a un estado más bajo y menos excitado.
Usos del láser[editar]
Los láseres se utilizan en unidades de disco óptico, impresoras láser, escáneres de códigos de barras, instrumentos de secuenciación de ADN, comunicaciones ópticas por fibra óptica, fabricación de chips semiconductores (fotolitografía), cirugía láser y tratamientos cutáneos, materiales de corte y soldadura, dispositivos militares y policiales para marcar objetivos y medir el alcance y la velocidad, y en pantallas de iluminación láser para entretenimiento.
También se han utilizado láseres semiconductores del azul al ultravioleta cercano en lugar de diodos emisores de luz (LED) para excitar la fluorescencia como fuente de luz blanca; esto permite un área de emisión mucho más pequeña debido a la radiación mucho mayor de un láser y evita la caída que sufren los LED; estos dispositivos ya se utilizan en algunos faros de coches.
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