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¿Cómo funciona un Láser? EngineerGuy Series #4
Durante años los Lasers han sido el sello de la ciencia ficción
hoy mucha de nuestra tecnología depende de ellos
Medidores de distancia, comunicaciones ópticas y, por supuesto,
lectores de código de barras.
Las singulares características de la luz láser
hacen posible todas estas cosas.
Sin embargo, su uso por cirujanos oftalmólogos para
fijar retinas desprendidas se destaca de todos los otros.
Un golpe puede causar que la retina del ojo se desprenda
del tejido que la soporta.
Sin un rápido tratamiento la retina completa puede desprenderse
causando ceguera.
Los cirujanos usan luz de láser verde de, prácticamente, una sola longitud de onda
porque ese color pasa a través de los lentes del ojo
y el humor vítreo
sin ser demasiado absorbida, y por eso, sin causar daño.
El rayo láser, entonces, impacta la retina donde el tejido
absorbe fuertemente esa luz, usando la alta intensidad
de la luz para soldar la retina desprendida nuevamente en su lugar.
Lo angosto del rayo permite que la cirugía afecte
sólo el área de la retina que necesita ser reparada,
zonas tan pequeñas como 20 micras.
Cómo un láser crea luz con estas tres características
es una proeza de la ingeniería.
Dejen que les muestre.
Cualquier juguete que brilla en la obscuridad puede ilustrar los principios básicos
de la creación de luz láser.
Este brilla porque un compuesto de cobre y zinc recubriendo
el interior puede absorber energía de una fuente de luz
y después irradiarla como luz.
La luz brinda energía a los electrones en el recubrimiento
llevándolos a niveles de energía superiores.
Cuando la luz se apaga, estos electrones lentamente pierden su
energía agregada y vuelven a sus estados base de baja energía.
La energía perdida es entregada en forma de luz.
Un fenómeno muy parecido reside en el corazón del láser.
Dejen que les cuente sobre la ingeniería
en el primer láser basado en rubí.
Acá tengo un pequeño pedazo de rubí
y algunas barritas de vidrio de color rojo.
Cuando hago incidir luz azul sobre los pedazos de vidrio no pasa gran cosa
pero lo hago sobre el rubí y brilla de color rojo.
Contrariamente al caso de la bola que brilla en la obscuridad, la luz aparece inmediatamente
y cuando apago la luz azul, desaparece.
En 1960, Ted Maiman demuestra el primer láser
tomando un cilindro de rubí y rodeándolo
con una lampara de flash de xenón usada en fotografía aérea.
Un intensa ráfaga de luz de la lampara inicia el fenómeno láser.
Par ver como funciona veamos que
pasa con una lámpara más débil.
Un destello energizará unos pocos electrones
del estado base al estado excitado.
Ellos perderán un poco de energía
cayendo a un nivel de energía menor sin emitir luz
y después caerán desde ahí al estado base
entregando una ráfaga de luz.
La luz producida será luz incoherente
un espectro de colores e intensidades
de la misma forma que mi pequeño láser hizo brillar mi esfera de rubí.
Crear un láser demanda una lámpara muy potente.
En el láser de rubí destellos repetidos
llamados bombeo
hacen que algo sorprendente suceda.
Se entrega tanta energía que sucede una inversión de poblacion.
Ahora hay más electrones en el nivel de energía
justo arriba del nivel base que en el nivel base.
Los electrones de la población invertida regresando
al estado base liberan luz que comienza una avalancha
llamada emisión estimulada.
El fotón producido cuando el electrón decae
induce a otros electrones excitados a decaer simultáneamente
y liberar prácticamente idénticos fotones.
Eso produce luz coherente
lo que significa que las crestas y valles
de todas las ondas de luz en el rayo coinciden.
Ahora, en este punto tenemos luz coherente
pero no todavía las otras dos propiedades de la luz láser.
Para obtener un rayo delgado con todos los rayos de luz paralelos
y casi una sola longitud de onda se necesita
un agregado a la barra de rubí.
Maiman plateó los extremos para reflejar la luz dentro del cilindro de rubí.
El hizo los dos extremos de la barra asombrosamente paralelos entre si
Desde arriba a abajo la distancia entre estos
dos espejos no difieren en más de 200 nanómetros.
Dentro de esta cavidad resonante, pasan dos cosas.
Primero, cualquier rayo de luz que no esté alineado con el eje
eventualmente escapará por el lado del cilindro.
Y la luz paralela al eje se ve intensificada
y reducida en longitudes de onda.
Los extremos espejados crean un onda estacionaria
lo que significa que sólo luz con longitudes de onda particulares
pueden existir dentro de la cavidad.
Seleccionando correctamente la longitud de la barra
podemos obtener prácticamente una sola longitud de onda
de luz característica de un láser.
Una pequeña perforación en uno de los espejos o un espejo parcialmente plateado
permite a la luz escapar creando el conocido rayo.
Ahora, desde que el primer láser de rubí fue creado
los lasers se han vuelto simples y baratos de fabricar.
Por ejemplo, este puntero láser utiliza un
diodo semiconductor para producir luz.
A pesar de las muchas innovaciones y mejoras se han producido desde
1960 los principios esenciales son los mismos.
Soy Bill Hammack, el ingeniero.
Este vídeo está basado en un capítulo del libro
Ocho fascinantes historias de ingeniería.
El capítulo cuenta con más información sobre este tema.