¿Se ha preguntado alguna vez por qué los láseres son tan precisos y potentes? A diferencia de la luz normal, los láseres tienen características únicas como su alta direccionalidad, monocromaticidad, coherencia e intensidad. Este artículo explora estas propiedades y sus aplicaciones, desde los instrumentos médicos hasta el corte industrial. Sumérjase para descubrir cómo funcionan estos fascinantes haces y su impacto en la tecnología y la ciencia.
Una fuente luminosa típica emite luz que irradia en todas direcciones y disminuye al aumentar la distancia. Esta atenuación se debe principalmente a que la luz de tales fuentes es el resultado de una multitud de moléculas o átomos dentro de la fuente que emiten fotones de forma independiente durante la radiación espontánea. En cambio, los láseres amplifican los fotones incidentes mediante emisión estimulada.
Debido a los distintos mecanismos de generación del láser en comparación con las fuentes de luz ordinarias, los láseres presentan características únicas que no comparten con la luz convencional y que, en general, pueden resumirse en cuatro aspectos: direccionalidad, monocromaticidad, coherencia y alta intensidad.
Los láseres emiten luz mediante radiación estimulada; cada fotón mantiene la misma frecuencia, fase y estado de polarización que la luz incidente, todo ello bajo el control de un resonador óptico. Este control permite que el haz láser se propague estrictamente a lo largo del eje del resonador con un ángulo de divergencia muy pequeño, próximo al de la luz paralela.
La elevada direccionalidad de los láseres viene determinada por el mecanismo de emisión estimulada y la influencia restrictiva del resonador óptico sobre la dirección del haz luminoso oscilante. Datos precisos han demostrado que un haz láser emitido desde la Tierra a la Luna, una distancia que abarca aproximadamente 380.000 kilómetros, da como resultado un punto de haz en la Luna de menos de 1.000 metros de diámetro.
Esta excelente direccionalidad ha propiciado el uso generalizado de los láseres en aplicaciones de alcance, comunicación y posicionamiento. La alta direccionalidad de los láseres permite una transmisión eficaz a largas distancias y la focalización en densidades de potencia muy elevadas, dos factores cruciales para el posicionamiento. procesamiento láser.
El color de la luz viene determinado por su longitud de onda. La anchura entre las dos longitudes de onda en las que la intensidad es la mitad del máximo se suele definir como la anchura de la línea espectral. Cuanto menor sea la anchura de la línea espectral, mayor será la monocromaticidad de la luz. La luz visible consta de siete colores, cada uno con una anchura de línea espectral de 40 a 50 nanómetros.
La monocromaticidad de los láseres supera con creces la de las fuentes de luz ordinarias. Por ejemplo, la anchura de la línea espectral de la luz láser roja emitida por un láser de helio-neón es sólo del 10-8 nanómetros, lo que es significativamente más monocromático que una lámpara de criptón. Algunos láseres especiales tienen una monocromaticidad aún mayor.
La elevadísima monocromaticidad de los láseres elimina prácticamente la dispersión cromática (la variación del índice de refracción con la longitud de onda) de las lentes de enfoque, lo que permite centrar con precisión el haz de luz en el punto focal y alcanzar una elevada densidad de potencia. La excelente monocromaticidad de los láseres constituye una herramienta ventajosa para mediciones instrumentales de precisión y para estimular determinadas reacciones químicas en experimentos científicos.
La coherencia describe principalmente las relaciones de fase entre las distintas partes de una onda luminosa, abarcando dos aspectos: la coherencia temporal y la coherencia espacial. En el caso de los láseres, la distribución espacial del campo luminoso suele descomponerse en una distribución a lo largo de la dirección de propagación (eje de la cavidad) E(z) y una distribución en la sección transversal perpendicular a la dirección de propagación E(x, y).
Así, los modos de la cavidad láser pueden dividirse en modos longitudinales y transversales, que representan las distribuciones longitudinales y transversales del campo luminoso de los modos de la cavidad, respectivamente.
La coherencia temporal de un láser se refiere a las relaciones de fase entre puntos a lo largo de la dirección de propagación del haz. En aplicaciones prácticas, el tiempo de coherencia se utiliza a menudo para describir la coherencia temporal de un láser. Cuanto menor sea la anchura de la línea espectral, es decir, cuanto mayor sea la monocromaticidad, mayor será el tiempo de coherencia.
Los láseres de gas de frecuencia estabilizada monomodo tienen la mejor monocromaticidad, alcanzando normalmente el 106 a 1013 Hz; los láseres de estado sólido tienen peor monocromaticidad, principalmente porque su curva de ganancia es amplia, lo que dificulta el funcionamiento en modo longitudinal único; los láseres semiconductores tienen la peor monocromaticidad.
El funcionamiento monomodo (tecnología de selección de modo) y la estabilización de frecuencia son cruciales para mejorar la coherencia. Un láser monomodo transversal estabilizado en frecuencia emite luz cercana a una onda plana monocromática ideal, es decir, totalmente coherente.
La coherencia espacial de un láser es la relación de fase entre puntos situados en un plano perpendicular a la dirección de propagación del haz. Se refiere a la escala en la que la luz emitida por el haz puede converger en un punto del espacio para formar patrones de interferencia, y la coherencia espacial está relacionada con el tamaño de la fuente de luz.
Una onda plana ideal es totalmente coherente espacialmente y tiene un ángulo de divergencia de cero. Sin embargo, en la práctica, debido a los efectos de difracción, el ángulo de emisión del haz más pequeño alcanzable por un láser no puede ser inferior al ángulo límite de difracción al pasar por la abertura de salida.
Para mejorar la coherencia espacial de un láser, es esencial, en primer lugar, restringir el láser para que funcione en un único modo transversal; en segundo lugar, seleccionar adecuadamente el tipo de cavidad óptica y aumentar la longitud de la cavidad para mejorar la directividad del haz. Además, las inhomogeneidades del medio activo, los errores de mecanizado y ajuste de la cavidad y otros factores también pueden degradar la directividad del haz.
Gracias a la excelente directividad de los haces láser, la energía emitida queda confinada en un ángulo sólido muy estrecho, y la energía se concentra en un ancho de línea espectral reducido. Esto aumenta considerablemente la luminosidad espectral de los láseres en comparación con las fuentes de luz convencionales. En los láseres pulsados, en los que la emisión de energía se comprime aún más en un intervalo de tiempo muy corto, el brillo espectral puede aumentar aún más.
En la actualidad, el aumento de la potencia de salida y la eficiencia es una dirección importante en el desarrollo del láser. Los láseres de gas, como los de CO2pueden producir la mayor potencia continua, mientras que los láseres de estado sólido pueden producir la mayor potencia de impulsos.
Especialmente con el uso de técnicas de modulación por cavidad óptica y amplificadores láser, el tiempo de oscilación del láser puede comprimirse hasta valores muy pequeños (del orden de 10-9 segundos), y la energía de salida puede amplificarse, lo que da lugar a una potencia de pulso extremadamente alta. Con las técnicas de bloqueo de modo y compresión del ancho de pulso, los anchos de pulso del láser pueden comprimirse aún más, hasta 10-15 segundos.
Lo más importante, potencia del láser (energía) puede concentrarse en un solo modo (o en unos pocos), con lo que se consigue un grado muy elevado de degeneración de los fotones. Cuando un rayo láser se enfoca a través de una lente, puede generar temperaturas de varios miles, incluso decenas de miles de grados centígrados cerca del punto focal, lo que permite procesar todos los materiales.
Por ejemplo, el CO2 corte por láser Las máquinas más utilizadas en la industria adoptan longitudes focales de 127 a 190 mm, con diámetros de punto focal que oscilan entre 0,1 y 0,4 mm, y su densidad de energía puede alcanzar los 10 W/cm.2.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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