Presentacion sobre el LASER

El láserL.A.S.E.R: Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation (Amplificación de luz por emisiónestimulada de radiación)M.A.S.E.R: Microwave Amplification by Stimulated Emissionof RadiationLa luz de láser tiene dos propiedades importantes:• Luz monocromática y coherente• Haz muy colimado (alta direccionalidad)El láser funciona debido a las siguientes propiedades:• Emisión estimulada de luz debido a átomos ⇒ coherencia• Presencia de estados atómicos metaestables ⇒ poca emisiónespontánea ⇒ coherenciaProcesos de absorción y emisión de radiación enátomos1) Absorción de radiación:Un átomo absorbe un fotón pasando al estado de energíamayor 2hνE 2E 1E 2 -E 1 =hνSi uno tiene N 1 átomos en el nivel 1 y N 2 átomos en el nivel 2 elnúmero de trancisiones por unidad de tiempo va a serproporcional al número N 1 de átomos en el nivel de energía E 1 ya la intensidad de la radiación en la frecuencia νHablamos de emisión estimulada y espontánea y coherencia,repasemos estos conceptosDonde B 12 es una magnitud que me da la probabilidad por unidadde tiempo y por unidad de intensidad de radiación de que ocurrala absorción por parte del átomo.12

2) Emisión de radiación:2-1) Emisión espontánea:Un átomo en un nivel de energía mayor decae al estado deenergía menor E 1 emitiendo un fotón de frecuencia ν2-2) Emisión inducida o estimulada:Un átomo en un nivel de energía mayor es forzado a decaer alestado de energía menor E 1 por la presencia de una radiaciónresonante (de frecuencia ν=(E 2 -E 1 )/h) emitiendo un fotón defrecuencia νE 2hν E 2 -E 1 =hνE 1hνE 2El número de transiciones por unidad de tiempo va a serproporcional al número N 2 de átomos en el nivel de energía E 2 ya la probabilidad de transición por unidad de tiempo A 213E 1hνE 2 -E 1 =hνComo resultado del proceso se obtienen dos fotonesEl número de trancisiones por unidad de tiempo va a serproporcional al número N 2 de átomos en el nivel de energía E 2 ya la intensidad de la radiación incidente.En un sistema atómico con los dos estados y con radiación ε(ν)van a ocurrir los tres procesos a la vez y por lo tanto el cambio dela población del nivel E 2 debida a los tres procesos será:4

Pero si comparamos con la expresión de ε(ν) para la radiación enequilibrio térmico con la materiaObviamente lo que se despuebla el nivel 2 es lo que se pueblael 1 y viceversa:N 1 +N 2 =N=cteencontramos que:Cuando se llega al equilibrio entre la radiación y los átomos, losnúmeros N 1 y N 2 se estabilizan y por lo tanto:La razón entre la probabilidad de emisión espontánea y emisióninducida es:Despejando obtenemosSi los átomos están en equilibrio térmico y siguen la estadísticade Maxwell-Boltzmann:Comparando se obtieneNormalmente hν >> kT por lo tanto la probabilidad de emisiónespontánea es mucho mayor que la probabilidad de emisióninducida.Si T=300K ⇒ kT=4.14 x 10 -21 J= 0.025 eVhν=∆E ≈ 1 eV56

Porqué es importante la emisión inducida?En la emisión espontánea cada átomo emite un fotón en uninstante cualquiera (al azar) y por lo tanto la radiación resultantede la emisión espontánea está formada por componentes fuera defase entre sí (radiación incoherente)En cambio en la emisión estimulada el proceso es resonante ypor lo tanto la radiación emitida está en fase con la radiaciónincidente (la radiación resultante es coherente)Por qué es importante que la radiación sea coherente ?• Sean N ondas incoherentes correspondiente a la emisiónespontánea de N átomos (las fases no tienen relación entre sí)La onda total es:Supongamos por simplicidad que todas las ondas tienen la mismaamplitud A (A 1 =A 2 =.....=A N =A)La intensidad I de la radiación resultante es:I ∼ NEn promedio da N/2 0La intensidad de la radiación resultante va como Nsiendo N el número de ondas que la componen• En cambio si la radiación es coherente (formada por ondascon igual fase)Como el fotón incidente actúa como estímulo para producir laemisión inducida la radiación emitida está en fase con laradiación y la radiación resultante resulta coherente.y la intensidad I de la radiación es:7I ∼ N 2Intensidad mucho más grande que la de radiaciónincoherente si N es grande8

La radiación formada por la emisión de N átomos es muchomás intensa si esas emisiones son coherentes.Entonces si queremos tener radiación coherente tenemos queencontrar alguna manera para que la probabilidad de emisiónestimulada (coherente) sea mayor que la probabilidad deemisión espontánea (no coherente). Esta idea es el principiode funcionamiento de un láserEmisión LaserComo vimos antes cuando el sistema está en equlibrio no hay niemisión ni absorción netas porque ambas tasas son iguales.En el caso general cuando no hay necesariamente equilibriotenemos:Otra ventaja de la radiación coherente es que la fase de laradiación está bien definidadonde usamos que B 21 =B 12 (probabilidad de absorción es igual ala probabilidad de emisión estimulada)Si (E 2 -E 1 ) es pequeña de modo que hν/(kT)

Sin embargo si logramos invertir la población de los nivelesde manera que N 2 >N 1 (situación que obviamente está fuera deequilibrio) tendriámos que la tasa de emisión es mayor que lade absorción.O sea que si entra radiación de frecuencia ν sale más radiaciónque la incidente de frecuencia ν (amplificación de laradiación incidente)Condiciones para producir efecto láserPara producir el efecto láser se tienen que dar las siguientescondiciones:1) El sistema debe tener inversión de población (N 2 > N 1 )2) El estado superior debe ser bastante estable(metaestable) de manera que la emisión espontánea seadespreciable y solo tenga emisión inducida3) Los fotones deben permanecer estimulando el gas untiempo suficiente para producir un estímuloacumulativoMétodos para producir el efecto láserComo se decaen más átomos que los que son excitados laamplificación disminuye hasta que se restablece el equilibrio.Por lo tanto si queremos tener amplificación continua hay quesacar los átomos del nivel inferior por algun método. A laelevación de los átomos del nivel 1 al 2 se denomina“bombeo de energía”(i)Para lograr 1) y 2) necesito realizar un bombeo de energíade los átomos de manera de pasar átomos del nivel 1 alnivel 2.* bombeo óptico: iluminando con luz intensa* bombeo eléctrico: hacer pasar una corriente eléctrica demanera que los electrones choque con los átomos y letransfieran energía.1112

Debe existir un estado metaestable donde se estacione lacadena de decaimientos tras el bombeoE 2 (metaestable)E 1otros estadosDespúes de un tiempo tendremos inversión de población(N 2 > N 1 )(ii) Para lograr el punto 3) o sea que la radiación esté un tiemposuficiente interactuando con los átomos para producir un efectoacumulativo se usa una cavidad óptica con espejos en losextremos. Uno de los espejos deja pasar algo de la radiación yes el orificio de salida del haz.barra rubíespejo espejoEsquema de un láser de rubílamparaflashespejoparcialsalidalaserE 2 (metaestable)Transición lasercapacitorE 1fuenteLa vida media de un estado atómico es τ ∼ 10 -8 sUn estado metaestable tiene una vida media de τ ∼ 10 -3 s(100000 veces más lento en decaer)1314

Propiedades del láser1) Luz muy intensa2) Monocromática y coherente3) Muy colimada. El alto grado de colimación del haz tieneque ver con que la radiación La colimación del haz tieneque ver con que la radiación se refleja entre los espejosmuchas veces antes de salir entonces solo la radiación queestá perfectamente alineada con el eje de la cavidad puedesalir.reflejantegasreflejanteEjemplos de láseresLáser de rubíRubí (Al 2 O 3 donde algunos Al están reemplazados por átomosde Cr)•Bombeo óptico: Cr es excitado por fotones de luz visible•El Cr decae por interacción con la red de Al 2 O 3 a un estadometaestable ⇒ láser al estado fundamental (luz roja)Láser de mezcla de gases He-Ne• He y Ne tienen niveles de energía similares pero He tienemenos niveles ⇒ es fácil bombeo en He (bombeo eléctrico)• El He transfiere energía al Ne por choques ⇒ se pueblanestados del Ne que estaban vaciós (inversión de población)Aplicaciones del láser1) Comunicaciones (haz en fibra óptica)2) Lectrura de información (CD)3) Soldadura de precisión, cirugía4) Medición de distancias, alineamiento5) Holografía (hace uso de la coherencia del láser)6) Fusión nuclear(capaz de concentrar mucha energía en una zona pequeña)El helio esbombeadoa estadosexcitadosmediantedescargaseléctricasLa energía estransferida alneónmediantecolisiones aun estadometaestableEmisionesespontáneas vacían elnivel inferiormanteniendo lainversión depoblación1516

Holografíaver: National Geographic de Marzo 1984o la direccion www.holo.com/holo/book/book1.htmlLa interferencia entre el haz reflejado y el haz de referenciadepende de la localización espacial del punto del objeto quereflejó el haz y de la posición de la placaLa holografía es una fotografía de un objeto con luz coherenteEl procedimiento para porducir la holografia es el siguiente: Unhaz de láser se separa en dos haces, uno de ellos es enviado a laplaca fotográfica (haz de referencia). El otro haz es enviado alobjeto que se quiere “fotografiar” donde se refleja y luego la luzreflejada se envía a la placa fotográfica donde interfiere con elhaz de referencia.El objeto se iluminacon luz laserobjetoLa luz reflejadava a la placaplacalaserHaz del objetoEspejoSeparador dehacesPlacafotográficael haz de referencia delmismo láser va a la placaobjetoHaz de referenciaLentes divergentes(para difundir el haz)17Cada trozo de la placa contiene información de la luz reflejadapor el objeto entero, no solo por un punto del objeto como en lafotografia normal, pero que a la vez depende de la perspectivaque tiene el objeto con ese punto.El patrón de interferencia contiene información sobre laintensidad y la fase de la luz que viene del objeto haciendoposible luego reconstruirlo con un láser18

La imagen se puede ver al iluminar posteriormente la placa conluz coherenteLa imagen 3D delobjeto parecesuspendida en elespaciodetrás delhologramahologramalaser19