EL LÁSER

1. EL LÁSER David Ayala Hernández 954754 Alberto Iglesias Darriba 993444

2. ¿Qué significa? • LASER=Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Amplificación de Luz por Emisión  Estimulada de Radiación).

3. Principios • Radiación se asimila a una transferencia de energía, y ésta puede desplazarse de un lugar a otro por conducción(la cocina), por convección(la estufa) y por radiación (la bombilla).

4. Los paquetes de energía • Toda radiación se propaga en "paquetes" ó fotones, esto es, energía expresada de un modo cuantitativo en "dosis" de energía conocidas. • En función de la energía ó los conceptos asociados (frecuencia, longitud de onda), y mediante la constante de Planck en la relación se establece el denominado espectro electromagnético.

5. Espectro electromagnético

6. Interacción de la radiación • La radiación electromagnética interacciona con la materia, compuesta por átomos, de dos formas: con su absorción ó con la emisión de otra nueva radiación.

7. Interacciones con el núcleo

8. Interacciones con el núcleo • Átomo con electrones orbitando en su núcleo. Cuando una fuente de energía choca con el átomo, un fotón es absorbido, mandando al átomo a un nivel de estado excitado. • Cuando un fotón de la misma frecuencia es soltado el átomo puede regresas al nivel de baja energía. • …hasta que otro fotón llega. El proceso continúa, amplificándose la energía hasta que un haz de luz coherente se produce.

9. Interacciones • Se dice entonces que el electrón a pasado a un estado excitado, aunque sólo se puede mantener en él durante un tiempo muy breve - del orden de milisegundos. Al caer de nuevo a su órbita previa ó estado fundamental, emite un nuevo fotón, lo que se conoce como emisión espontánea, base de la fluorescencia natural.

10. Interacciones • Si un fotón emitido por un átomo incide sobre otro que tiene un electrón en estado excitado, el fotón incidente estimula la emisión de un segundo fotón, idéntico en tres propiedades características:longitud de onda, fase y dirección.

11. Niveles de energía

12. Niveles de energía • Los átomos de uno o más estados excitados de energía cuyos tiempos de vida están en 10E -3s o más en vez del usual 10 E -8 s. Estos estados relativamente largos son llamados metaestables (estables de forma temporal).

13. Niveles de energía • Hay tres tipos de transición que resultan en radiación electromagnética y que son posibles en un átomo dentro dos niveles de energía E0 y E1. • Si el átomo está inicialmente en el nivel más bajo Eo, puede ser elevado al nivel E1 absorbiendo un fotón de energía E1 – Eo = hν.

14. Niveles de energía • Si el átomo está inicialmente en un esta superior E1, puede ser bajado a Eo emitiendo un fotón de energía hν. Esto es conocido como emisión espontánea.

15. ¿Por qué tres niveles? • Supongamos que tenemos un estado metaestable hν arriba del nivel fundamental. Mientras más fotones de frecuencia ν utilicemos para bombardear el paquete de átomos, más transiciones habrá del estado fundamental al estado metaestable. • Sin embargo, al mismo tiempo este bombardeo de luz inducirá transiciones del estado metaestable al estado fundamental.

16. ¿Por qué tres niveles? • Cuando la mitad de los átomos estén en cada estado, la tasa de emisiones inducidas igualará la tasa de absorciones inducidas, así que el grupo o paquete de átomos no podrá tener más de la mitad de sus átomos en el estado metaestable.

17. Inversión de la población • Es necesario excitar tantos átomos como sea posible para crear la condición de “Inversión de población”, en la cual hay más átomos excitados que átomos en un nivel de energía menor. • Los átomos “preparados” están en estados excitados (niveles cuánticos altos), y como condición natural, tienden a relajarse hacia estados de menor energía (niveles cuánticos bajos), proceso que es la fuente de la luz láser. No basta con poder excitar algunos átomos

18. Inversión de población

19. El láser de He-Ne

20. El láser de He-Ne • El láser de He-Ne ha sido el de mayor difusión hasta la aparición de los láseres de diodo visibles. El primero fue construido por Ali Javan en 1961. • El medio activo es un gas noble, el neón, y es un láser de 4 niveles energéticos. Su diagrama de niveles de energía se describe en la figura:

21. El láser de He-Ne

22. El láser de He-Ne • Las longitudes de onda importantes son : • λ1=0.6328 [ mm] (632.8 [nm]),  λ2 =1.152 [mm], λ3 =3.3913 [mm], λ4=0.5435 [mm]

23. ¿Para qué el helio? • El papel que juega el Helio es el de aumentar la eficiencia del proceso de amplificación láser. 1. La excitación directa del Neón es muy ineficiente , al contrario que la del Helio 2. Un estado excitado del átomo del Helio (denominado E5 ) tiene un nivel de energía muy similar a la energía de excitación del átomo de Neón ( también denominada E5 ).

24. Láser en comunicaciones • A continuación muestro unas características del láser de Lilburn W5KGJ:

25. Láser en comunicaciones —System Specifications Receiver • Lens Diameter 25 mm • Clear Aperture 22 mm • Field of View 7.6° • Noise Equivalent Power 10–8 W • Optical Passband 620-1200 nm • Optical Transmission 0.8 • Detector Diameter 5 mm • Audio Gain 96 dB

26. Láser en comunicaciones • Audio Passband 500-1500 Hz • Audio Output 5 V (RMS) • Headphones 32 Ω

27. Láser en comunicaciones Transmitter • Wavelength 640 nm • Power 3 mW • Beam Divergence 0.5 × 1 milliradians • Modulation AM, CW, data • Modulation % 100 • Microphone Electret • System • Power Supply 12 AA cells • Size (including projections) 12×3×2.5 inches (LWH)

28. Láser en comunicaciones • Aunque está fuera de tema, Lilburn R. Smith W5KQJ ha diseñado este equipo, con una longitud de onda de 6500 Å para efectuar experimentos en comunicaciones ópticas, a muy, muy alta frecuencia . • La presentación y el documento Word que la acompaña están disponibles en http://www.alberto.com.mx

29. Bibliografía • Beiser, Arthur, “The Laser”, Concepts of Modern Physycs, Mc-Graw Hill Inc, 5th Edition, pp 144-148. • Thompson, Mauren, “Lasers and Amateur Radio”, QEX Forum for Communications Experiments, American Radio Rely League, Enero 1985, pp 5-10. • Smith, Lilburn, “A Lasser Transceiver for the ARRL 10-GHz-and-Up Contest”, QEX Forum for Communications Experiments, American Radio Rely League, Nov/Dic 2001, pp 11-19. • Arieli, Rami, “The Laser Adventure”, versión en español de la Universidad de Murcia, España, varios capítulos. • Lasing, S.A. “¿Qué es el láser?”, http://www.lasing.com

30. Próximo proyecto…