III. SISTEMAS L�SER ESPEC�FICOS
EN ESTE cap�tulo presentaremos el detalle de operaci�n de algunos de los m�s importantes sistemas l�ser. Aunque en los dos cap�tulos anteriores se ha supuesto que en la cavidad amplificadora tenemos �tomos en los cuales ocurren los procesos de absorci�n y emisi�n, esto no es esencial. Los procesos anteriores pueden tambi�n ocurrir en otro tipo de sistemas microsc�picos, como por ejemplo las mol�culas, los iones at�micos o incluso los electrones libres.
En general, cualquier sistema microsc�pico en el cual los procesos de absorci�n y emisi�n puedan ocurrir ser� llamado centro activo y el medio macrosc�pico que �stos forman se llama medio activo. Este �ltimo puede ser por ejemplo una mezcla gaseosa, un cristal, un semiconductor y varios otros.
A pesar de las grandes diferencias que existen en la extensa variedad de l�seres actuales, se puede lograr una clasificaci�n general de �stos tomando como par�metro el tipo de medio activo y el tipo de sistema de bombeo que utilizan. El cuadro III.1 muestra la agrupaci�n bajo este criterio de los l�seres m�s comunes.
De esta forma se distingue un l�ser de rub� de un l�ser molecular de bi�xido de carbono, porque en el primero el medio activo es un cristal s�lido que es bombeado �pticamente, mientras que en el segundo el medio activo es una mezcla gaseosa bombeada por una descarga el�ctrica.
En general, cuando es posible, la presentaci�n de cada l�ser aqu� tratado abarca: a) la esquematizaci�n de los niveles de energ�a de los centros activos en los cuales tiene lugar la emisi�n l�ser, b) la explicaci�n del efecto que el bombeo particular tiene sobre el medio activo, c) un resumen de las dificultades que presenta el funcionamiento del l�ser, y d) la forma en que �stas son solucionadas en la pr�ctica. Finalmente, se incluye una secci�n donde se mencionan algunas de las aplicaciones m�s importantes actuales o potenciales para cada tipo de l�ser.
Hist�ricamente �ste fue el primer l�ser que funcion� en el mundo. Fue construido por Theodore Maiman en 1960, quien us� como medio activo un cristal de rub� sint�tico. El rub� es una piedra preciosa formada por cristales de �xido de aluminio Al2O3, que contiene una peque�a concentraci�n de alrededor de 0.05% de impurezas de �xido de cromo Cr2O3 (el �xido de aluminio puro, Al2O3, se llama zafiro). La presencia del �xido de cromo hace que el transparente cristal puro de �xido de aluminio se torne rosado y llegue a ser hasta rojizo si la concentraci�n de �xido de cromo aumenta. La forma geom�trica t�pica que adopta el rub� usado en un l�ser es la de unas barras cil�ndricas de 1 a 15 mm de radio y algunos cent�metros de largo.
Características espectrales del láser del rubí
Los centros activos en el rub� son los iones de cromo, Cr+++,
que se presentan como impurezas en el cristal de Al2O3.
Los niveles energ�ticos del ion Cr+++, fundamentales para
el funcionamiento del l�ser de rub�, se muestran en la figura III.1. Puede notarse
la presencia de dos bandas de absorci�n cuya notaci�n espectrosc�pica es 4F1
y 4F2. Estas bandas pueden absorber muy
eficientemente fotones de longitud de onda de 0.42 mm
y 0.55 mm (la relaci�n entre la longitud
de onda l y la frecuencia v
es l = c/v, donde c
es la velocidad de la luz; c = 3 x 10 10
cm/seg). La vida media de los iones excitados en estas dos bandas es muy breve,
del orden de nanosegundos (1 nanosegundo 1 x 10-9 segundos). Transcurrido
este tiempo, dichos iones decaen de manera espont�nea a un nivel energ�ticamente
inferior cuya notaci�n espectrosc�pica es 2E.
Este �ltimo nivel tiene una vida media bastante larga (del orden de milisegundos;
1 milisegundo = 1 x 10-3 segundos) y debido a esto se conoce como
nivel "metaestable". Este �ltimo nivel, de hecho, est� formado por dos subniveles
cuya notaci�n espectrosc�pica es 2
y 
.
Cuadro III.1.
Cuando un ion de cromo sufre una transici�n de los subniveles 2
y al nivel base denotado
por 4A2, se emiten fotones con longitudes de onda
de 0.6929 mm y 0.6943 mm.
Funcionamiento de un láser de rubí
Si un ion de cromo se encuentra en cualquiera de los estados 4F2
o 4F1 experimenta una transici�n r�pida hacia los
subniveles 2 o
(v�ase la figura III.1). Si lo hace hacia el subnivel 2
podr� pasar al estado base 4A2 emitiendo un fot�n
a 0.6228 mm, mientras que silo hace hacia el subnivel
pasar� al estado base 4A2
emitiendo un fot�n a 0.6943 mm de longitud de onda.
Dado que, por razones estad�sticas, es m�s probable encontrar al ion de cromo
en el estado que en el estado
2, el l�ser de rub� funciona
usualmente a 0.6943 mm.
Figura III.1.
Para el estudio te�rico de estos l�seres es habitual considerar solamente tres
niveles energ�ticos. En este caso el estado base 4A2
es interpretado como el primer nivel denotado por |1>, los niveles 4F2
y 4F1 como un solo tercer nivel denotado
por |3> y los subniveles
y 2 como un �nico segundo
nivel energ�tico denotado por |2>.
La excitaci�n del rub� se realiza mediante la energ�a �ptica proporcionada por l�mparas flash conectadas a un banco de capacitores. Esto se muestra en la figura III.2. Una de las grandes desventajas de los l�seres bombeados �pticamente (incluido, claro est�, el l�ser de rub�), es su baja eficiencia, que por lo general es menor del 0.1%. Otro inconveniente del l�ser de rub� consiste en la dificultad del crecimiento de los cristales sint�ticos de rub�. Ello ha ocasionado que en la actualidad se prefiera como medio activo el uso de vidrios de f�cil fabricaci�n (como por ejemplo, vidrios con impurezas de neodimio) y no de cristales como el rub�.
Figura III.2.
ALGUNAS APLICACIONES DEL L�SER DE RUB�
Este l�ser ha sido utilizado con �xito en aplicaciones industriales, militares, m�dicas y cient�ficas. No obstante, hay que mencionar que debido a lo costoso y complicado de fabricaci�n de las barras sint�ticas de rub�, desde hace algunos a�os este tipo de l�ser ha sido desplazado por l�seres similares en concepci�n y dise�o que utilizan como centros activos iones de neodimio. La diferencia b�sica entre ambos l�seres est� en la longitud de onda de emisi�n: en el l�ser de rub� es de 0.6943 mm y en el de neodimio de 1.064 mm. Por lo tanto, pr�cticamente en todas las aplicaciones que a continuaci�n se describen debemos tener en mente que se puede usar indistintamente un l�ser de rub� o uno de neodimio.
Entre sus aplicaciones industriales destaca su uso en la microperforaci�n, as� como en la producci�n de componentes electr�nicos de precisi�n, como por ejemplo resistencias, en las cuales es necesario volatilizar muy peque�as cantidades de material para fabricar resistencias de muy alta precisi�n. Otra importante aplicaci�n de estos l�seres se encuentra en el mercado de productos de venta con logotipos comerciales, la cual se muestra esquem�ticamente en la figura III.3 (a).
Figura III.3 (a)
En el campo de la industria militar, estos l�seres han sido utilizados como "marcadores de blanco". Con un l�ser de baja potencia de este tipo se apunta hacia el objetivo que se desea destruir; en seguida un misil o cohete con un sensor adecuado, dise�ado para identificar el lugar en donde el l�ser est� siendo apuntado se dirige a dicho lugar y logra as� la destrucci�n del objetivo. Esto se muestra esquem�ticamente en la figura III.3 (b).
Figura III.3. (b)
Entre las aplicaciones m�dicas se puede mencionar su uso en el tratamiento de problemas dermatol�gicos y tumores cancerosos, y su uso como cauterizador o bistur� l�ser. Ya que la radiaci�n producida por este l�ser puede propagarse a trav�s de fibras �pticas, es posible realizar en forma simple, segura y sin muchas molestias para el paciente, intervenciones en el est�mago para el tratamiento de �lceras, o en las venas para destruir obstrucciones que podr�an causar serios problemas circulatorios. En ambos casos dichas operaciones pueden realizarse en cuesti�n de minutos, y no requieren hospitalizaci�n ni cirug�a mayor.
Las aplicaciones cient�ficas de estos l�seres son muy variadas. Dif�cilmente un solo libro dedicado tan s�lo a este tema ser�a suficiente para mencionarlas. Comentaremos aqu� una de las aplicaciones actuales m�s espectaculares y prometedoras de este tipo de l�seres. La idea principal consiste en obtener energ�a por medio de microexplosiones termonucleares de fusi�n que puedan ser utilizables para fines civiles. As� como existen bombas at�micas de fisi�n que funcionan utilizando �tomos pesados de uranio o plutonio (como las que desgraciadamente fueron detonadas en Hiroshima y Nagasaki), tambi�n existen bombas de fusi�n (mucho m�s poderosas en capacidad destructiva que las anteriores) que funcionan utilizando �tomos ligeros como el hidr�geno o is�topos del hidr�geno (la llamada "Bomba H").
Un reactor nuclear es un dispositivo que nos permite utilizar reacciones nucleares de fisi�n con �tomos pesados para producir energ�a el�ctrica con fines pac�ficos. Sin embargo, debido a que las reacciones nucleares de fusi�n liberan mucha m�s energ�a que las de fisi�n y a que las reservas mundiales de combustible para producir reacciones de fusi�n son mucho mayores que las reservas conocidas para producir reacciones de fisi�n, existe en el mundo un intenso esfuerzo cient�fico por producir un nuevo tipo de reactores nucleares para producir electricidad con fines pac�ficos, que funcionen haciendo uso de reacciones nucleares de fusi�n y no de fisi�n como los actuales. Una de las alternativas que actualmente est� en investigaci�n para la construcci�n de este nuevo tipo de reactores nucleares de fusi�n consiste en utilizar intensos pulsos l�ser, localizados en microesferas (de 0.1 a 1 mm de di�metro) que contienen el combustible nuclear (�tomos de hidr�geno y algunos de sus is�topos como el deuterio y tritio), como se muestra en la figura III.3 (c). Debido a la intensa radiaci�n l�ser incidente, la superficie de la microesfera se volatiliza casi instant�neamente, produciendo un gas de muy alta temperatura —llamado plasma—, en expansi�n alrededor de la esfera, como se muestra en la figura III.3 (d). Como reacci�n a la expansi�n de dicho plasma, el interior de la esfera se comprime (sufre una implosi�n) y alcanza temperaturas y densidades similares a las que ocurren en las estrellas.
De esta forma el combustible nuclear reacciona fusion�ndose y liberando energ�a que podr�a ser utilizada para generar electricidad.
Figura III.3 (c)
Figura III.3 (d)
El l�ser de helio-ne�n fue el primer l�ser de gas que se construy�. Actualmente sigue siendo muy �til y se emplea con mucha frecuencia. Los centros activos de este l�ser son los �tomos de ne�n, pero la excitaci�n de �stos se realiza a trav�s de los �tomos de helio. Una mezcla t�pica de He-Ne para estos l�seres contiene siete partes de helio por una parte de ne�n.
Caracter�sticas espectrales del helio-ne�n
La figura III.4 muestra el diagrama de niveles de energ�a para el sistema He-Ne. Ah� se exponen las tres transiciones l�ser m�s importantes, las cuales ocurren a 3.39 mm, 1.15 mm y 0.6328 mm. Puede notarse que los niveles del helio, espectrosc�picamente denotados como 21S y 23S, coinciden con los niveles 3s y 2s del ne�n. Como veremos en seguida, este hecho es fundamental para la excitaci�n de los �tomos de ne�n. En este l�ser los centros activos son los �tomos de ne�n y la inversi�n de poblaci�n se logra entre los niveles 3s con 3p y 2p, as� como entre 2s y 2p.
N�tese que el nivel energ�tico inferior de la transici�n l�ser no es el estado base del �tomo de ne�n, por lo tanto, es necesario pasar de la transici�n inferior al estado base.
Figura III.4.
Funcionamiento del l�ser de helio-ne�n
El bombeo del l�ser de He-Ne se realiza por medio de las colisiones que realizan los electrones de una descarga el�ctrica, principalmente con los �tomos de helio. Como resultado de estas colisiones, los �tomos de helio son excitados a los niveles 21S y 23S (v�ase la figura III.4).
La excitaci�n de los �tomos de ne�n se logra debido a colisiones de �stos con �tomos excitados de helio. Como resultado de dichas colisiones, los �tomos de helio pasan a su estado base y los �tomos de ne�n pasan del estado base a los estados 3s y 2s, creando una inversi�n de poblaci�n entre estos niveles y los niveles 3p y 2p. Entre estos niveles energ�ticos puede ocurrir la oscilaci�n l�ser. A partir de los niveles 3p y 2p, los �tomos de ne�n decaen espont�neamente al nivel inferior 1s, de. donde pasan al estado base debido a colisiones con otros �tomos o con las paredes del tubo l�ser. La figura III.5 muestra la estructura b�sica de un l�ser de He-Ne. Las ventanas de Brewster instaladas en los extremos del tubo consisten en. l�minas de vidrio colocadas en un �ngulo espec�fico (llamado �ngulo de Brewster) para disminuir al m�ximo reflexiones de luz no deseada.
Figura III.5.
Generalmente estos l�seres operan a una longitud de onda de 0.6328 mm, y las potencias t�picas de salida son de 1 a 50 mW de potencia continua.
ALGUNAS APLICACIONES DEL L�SER DE HE-NE
Este l�ser es sin duda alguna uno de los m�s ampliamente utilizados tanto en investigaci�n b�sica como para fines did�cticos o industriales que no requieran altas potencias luminosas.
Sus principales aplicaciones se presentan en el campo de la metrolog�a, la holograf�a. y la interferometr�a hologr�fica, por ejemplo, en la realizaci�n de pruebas mec�nicas no destructivas para verificar el estado de fatiga de tanques de alta presi�n, estructuras mec�nicas y llantas de avi�n. De este modo, utilizando una simple prueba �ptica se puede saber la resistencia y confiabilidad que un elemento mec�nico puede tener. En la industria naval y aeroespacial, entre algunas otras, este tipo de pruebas introducen un factor de seguridad nunca antes imaginado.
Los l�seres de He-Ne han sido tambi�n utilizados con �xito en algunas aplicaciones m�dicas; en dermatolog�a para el tratamiento de manchas en la piel, o como auxiliares para estimular la regeneraci�n de tejido en cicatrices.
Dentro de sus muy amplias aplicaciones cient�ficas, basta mencionar que el uso de este tipo de l�seres es necesario en la alineaci�n de cualquier experimento o sistema �ptico de precisi�n. La figura III.6, por ejemplo, muestra el montaje t�pico de un interfer�metro de Michelson utilizado para la medici�n de microdesplazamientos.
Figura III.6.
Las transiciones radiativas entre niveles altamente excitados de gases nobles se conocen desde hace largo tiempo, y la oscilaci�n l�ser en este medio activo data desde la d�cada de los sesenta. Entre estos l�seres, el de arg�n ionizado es el que m�s se utiliza, debido a sus intensas l�neas de emisi�n en la regi�n azul-verde del espectro electromagn�tico y a la relativa alta potencia continua que se puede obtener de �l.
Caracter�sticas espectrales del arg�n ionizado
La figura III.7 muestra los niveles energ�ticos que contribuyen a lograr la emisi�n l�ser en el arg�n ionizado.
Figura III.7.
El bombeo, necesario tanto para ionizar el arg�n como para lograr la poblaci�n de los niveles energ�ticos superiores de �ste, se realiza por medio de colisiones m�ltiples entre electrones producidos por una descarga el�ctrica con iones y �tomos activos.
El nivel superior de la transici�n l�ser corresponde al nivel espectrosc�picamente denotado por 4p, que es poblado en forma colisional, siguiendo los procesos:
el primero de ellos llamado "en cascada" y el segundo "directo". No obstante, la poblaci�n del nivel superior de la transici�n l�ser puede tambi�n producirse debido a transiciones de niveles energ�ticamente superiores al 3p hacia el nivel 4p. El nivel inferior de la transici�n l�ser es el 4s.
El l�ser de arg�n tiene varias l�neas de emisi�n, debido a que los "niveles" 4p y 4s, de hecho, est�n compuestos por 15 y 8 niveles espectrales respectivamente. Sin embargo, algunas transiciones son m�s intensas que otras: dos de las m�s importantes corresponden a radiación de 0.488 mm y 0.515 mm de longitud de onda.
Funcionamiento del l�ser de arg�n ionizado
Como hemos visto, en este l�ser el bombeo se realiza por una descarga el�ctrica cuya corriente t�pica es entre 15 y 50 amperes, que al pasar por el tubo de descarga puede producir densidades de corriente del orden de 1 000 amperes/ cm².
Para evitar que los electrones de excitaci�n pierdan energ�a al colisionar con las paredes del tubo de descarga se utiliza una bobina que produce un campo magn�tico para limitar el movimiento de los electrones en la direcci�n longitudinal del tubo. El esquema t�pico de un l�ser de arg�n ionizado se muestra en la figura III.8 (a).
Figura III.8. (a)
Debido a la alta corriente, el movimiento de los iones hacia el c�todo y de los electrones hacia el �nodo producir� una diferencia en la distribuci�n de iones y de presi�n en el tubo, la cual puede interrumpir la oscilaci�n del l�ser. Para solucionar este problema, una conexi�n de retorno para el gas se coloca entre el c�todo y el �nodo cuidando que la trayectoria de la columna de descarga en el tubo para evitar que la descarga el�ctrica se realice en la conexi�n de retorno. (V�ase la figura III.8 (a).)
Para poder seleccionar una sola longitud de onda de oscilaci�n en el l�ser, dentro de la cavidad �ptica se introduce un "elemento dispersor", c�mo por ejemplo un prisma. De este modo s�lo retornar� a lo largo del eje �ptico del l�ser radiaci�n de una sola longitud de onda. Esto se muestra esquem�ticamente en la figura III.8 (a).
Dado que estos l�seres pueden proporcionar potencias continuas de hasta 100 watts y tambi�n ser operados en forma pulsada, se les ha encontrado diversas aplicaciones m�dicas, t�cnicas y cient�ficas.
Su uso en fotoimpresi�n y litograf�a est� muy difundido, as� como en el mercado de logotipos comerciales, como se muestra esquem�ticamente en la figura III.3 (a).
Estos l�seres tambi�n han sido extensamente utilizados en el estudio de la cin�tica de reacciones qu�micas y en la excitaci�n selectiva de �stas. Hay algunas reacciones qu�micas que s�lo se producen en presencia de radiaci�n l�ser o cuya rapidez puede incrementarse notablemente cuando los reactantes son irradiados con luz l�ser de longitud de onda apropiada. En el primer caso podemos obtener sustancias que de otro modo ser�a dif�cil obtener y en el segundo caso se tiene la posibilidad de incrementar la productividad de algunas industrias qu�micas.
Otro importante campo de aplicaci�n de estos l�seres est� en el �rea m�dica. En particular destacan sus aplicaciones en oftalmolog�a para la fotocoagulaci�n y "soldadura" de peque�as �reas. El ojo es transparente a la luz entre aproximadamente 0.38 y 1.4 mm. A menores longitudes de onda el cristalino y la c�rnea absorben la radiaci�n y a mayores longitudes de onda son las mol�culas de agua presentes en el ojo las que absorben la luz. Por medio de radiaci�n l�ser es posible en la actualidad tratar casos de desprendimiento de retina. Como se muestra en la figura III.8 (b), el haz l�ser es focalizado en la retina por el propio cristalino del paciente.
Figura III.8. (b)
Finalmente, cabe mencionar que adem�s de las aplicaciones anteriores, este tipo de l�ser es ampliamente utilizado (en algunos casos en forma bastante peligrosa e irresponsable) en "discotecas" y en laser-shows.
El l�ser de bi�xido de carbono CO2 es el ejemplo m�s importante de los l�seres moleculares. El medio activo en este l�ser es una mezcla de bi�xido de carbono (CO2), nitr�geno (N2) y helio (He), aunque las transiciones l�ser se llevan a cabo en los niveles energ�ticos del CO2.
Como en seguida veremos, el N2 y el He son importantes para los procesos de excitaci�n y desexcitaci�n de la mol�cula de CO2.
Caracter�sticas espectrales del CO2
Las transiciones energ�ticas en una mol�cula ocurren debido a los cambios que �sta realiza en la energ�a almacenada en forma vibracional o rotacional.
En particular la mol�cula de CO2 presenta tres modos diferentes de oscilaci�n vibracional que son: oscilaci�n sim�trica, oscilaci�n de flexi�n y oscilaci�n antisim�trica. Estos se muestran en la figura III.9. Como hemos visto anteriormente, la energ�a de un oscilador existe s�lo en forma cuantizada y por tanto la energ�a de la mol�cula de CO2 puede representarse por una tr�ada. de n�meros (i, j, k), en donde cada n�mero representa la cantidad de energ�a asociada a cada modo.
Adem�s de estos estados vibracionales, tambi�n son posibles los estados asociados a los movimientos rotacionales de la mol�cula alrededor de su centro de masa. Sin embargo, las energ�as asociadas a estos �ltimos son generalmente m�s peque�as que las vibracionales.
La radiaci�n de emisi�n asociada con la diferencia de energ�a entre transiciones energ�ticas electr�nicas se encuentra usualmente en la regi�n visible o ultravioleta del espectro, mientras que las transiciones vibracionales y rotacionales moleculares est�n en el infrarrojo cercano y lejano. Por esta raz�n la mayor�a de los l�seres moleculares trabajan en el infrarrojo.
Figura III.9.
La figura III.10 muestra los niveles energ�ticos de la mol�cula del CO2 y del N2.
Figura III.10
En el l�ser de CO2, las mol�culas son excitadas del estado base al estado de mayor energ�a denotado como (001). Con una excitaci�n adecuada se puede producir la inversi�n de poblaci�n entre �l estado (001) y los estados (100) y (020). La l�nea m�s intensa del l�ser de CO2 est� localizada en l0.6 mm en el infrarrojo y es el producto de una transici�n entre los niveles (001) y (100). Una l�nea m�s d�bil a 9.6 mm compite con la l�nea de 10.6 mm, y se debe a una transici�n entre los niveles (001) y (020).
Para excitar a la mol�cula de CO2 del estado base (000) al estado excitado (001), se pueden usar eficientemente dos procesos, a saber:
a) Colisi�n de electrones. Consiste b�sicamente en la transferencia de energ�a entre electrones energ�ticos (denotados por e*) y mol�culas de CO2 en su estado base (el estado (000)) para producir electrones con poca energ�a (denotados como e) y mol�culas de CO2 en su estado excitado (el estado (001)). De esta manera, los electrones transfieren por colisi�n su energ�a a las mol�culas de CO2.
Esta reacci�n se puede escribir como:
b)Transferencia de energ�a resonante de la mol�cula de N2.
Este proceso consiste en la transferencia de energ�a que mol�culas de N2
previamente excitadas por colisi�n de electrones realizan con mol�culas de CO2.
Se trata de un proceso muy eficiente, ya que, como podemos ver en la figura
III.10, los niveles energ�ticos de la mol�cula excitada de CO2 (en
el nivel (001)) y los de la mol�cula excitada de N2* casi coinciden.
Por ello, decimos que es un proceso "resonante". Esta reacci�n se escribe como:
Una vez que la transici�n l�ser entre los niveles (001) y (100) o (020) ha ocurrido, la mol�cula de CO2 pasa al estado (010) debido a colisiones con mol�culas no excitadas de CO2. Finalmente la mol�cula de CO2 pasa del estado (010) al estado base (000) debido a colisiones con los �tomos de helio introducidos.
En conclusi�n, podemos ver que la excitaci�n de la mol�cula de CO2 es lograda eficientemente debido a la presencia del N2, mientras que la desexcitaci�n de la mol�cula de CO2 se logra debido a la presencia del He.
Funcionamiento de un l�ser de CO2
Aunque todos los l�seres de CO2 funcionan debido a los mismos principios, es conveniente analizar por separado los diferentes tipos de l�seres de CO2, los cuales pueden ser clasificados por la manera en que se hace circular la mezcla gaseosa y por los m�todos de producir la descarga el�ctrica. En esta secci�n se describir�n los l�seres de CO2 de flujo axial y de flujo y excitaci�n transversal, dejando para m�s adelante el l�ser din�mico de CO2, que involucra un sistema de bombeo diferente al de la descarga el�ctrica.
a) L�ser de CO2 de flujo axial. Estos l�seres, tambi�n conocidos como "l�seres longitudinales de CO2", constan b�sicamente de un tubo enfriado por medio de agua (o alg�n otro refrigerante) en cuyos extremos se colocan los espejos del resonador. La mezcla de gas se hace fluir por el tubo al mismo tiempo este se excita el�ctricamente utilizando dos electrodos. Un esquema t�pico de estos l�seres se muestra en la figura III.11. La simplicidad de estos aparatos y la facilidad con que pueden construirse los hacen muy atractivos para aplicaciones que requieren potencias bajas y medianas (menores de 500 watts continuos.)
Una mezcla de gas t�pica de CO2: N2: He est� en la relaci�n 0.8:1.0: 7.2. �stas proporciones son hasta cierto punto aproximadas, ya que las razones que proporcionan la salida m�xima se encuentran de manera emp�rica, variando las proporciones de la relaci�n de gas durante la operaci�n.
La eficiencia de un l�ser de CO2 puede aproximarse al 25%; esto los sit�a entre los l�seres m�s eficientes.
b) L�ser de flujo y excitaci�n transversal de CO2. Para los l�seres de flujo axial existe un l�mite en la potencia m�xima que pueden proporcionar. Esto se debe a que gran parte de la potencia el�ctrica que consumen es disipada en forma de calor. En estos l�seres el calor se elimina por difusi�n del centro del tubo hacia las paredes, las cuales son enfriadas. (V�ase la figura III.11.)
Figura III.11.
Una forma m�s eficiente de realizar el enfriamiento consiste en hacer que el gas fluya perpendicularmente a la descarga. (V�ase la figura III.12.)
Figura III.12.
Si el flujo es lo bastante r�pido, el calor se elimina por convecci�n m�s que por difusi�n, y la excitaci�n es realizada por una descarga perpendicular al eje del resonador. El flujo de gas y de corriente el�ctrica de descarga puede aumentarse considerablemente (en relaci�n con un l�ser de flujo axial) y por tanto la potencia de salida tambi�n aumenta. Potencias continuas de 3 kW y aun mayores son f�cilmente alcanzables.
Debido a que estos l�seres operan a presiones de gas m�s elevadas que las de los l�seres de excitaci�n longitudinal, tendremos una mayor potencia de salida debido al incremento de la cantidad de centros activos por unidad de volumen en la regi�n de excitaci�n.
ALGUNAS APLICACIONES DE LOS L�SERES DE CO2
Las altas potencias proporcionadas por estos l�seres han difundido su aplicaci�n a varios procesos de manufactura y se ha logrado hacer eficiente la producci�n bajando al mismo tiempo los costos.
Algunas de las principales aplicaciones de los l�seres de CO2 est�n en la industria metal-mec�nica, pl�stica y textil, entre muchas otras. Son usados en el endurecimiento de metales as� como en corte, soldadura y perforaci�n. El cuadro III.2 ilustra la aplicaci�n de este tipo de l�seres en el corte de diversos materiales. En la mayor�a de estas aplicaciones el uso del l�ser est� sincronizado con elementos autom�ticos o computarizados tales como robots. De esta forma el corte de complicados dise�os en diversos materiales puede realizarse en forma r�pida y precisa. Hoy en día son ya: innumerables las industrias que utilizan robots-l�ser en sus l�neas de producci�n, como la industria electr�nica y la automotriz.
Cuadro III.2.
Adem�s de estas aplicaciones industriales, destacan las aplicaciones m�dicas del l�ser de CO2. Esto es debido a que la radiaci�n l�ser emitida de 10.6 mm es fuertemente absorbida por las mol�culas de agua. Dado que el cuerpo humano est� compuesto en m�s del 80% por estas mol�culas, al hacer incidir dicha radiaci�n en el tejido humano �sta es r�pidamente absorbida. Al focalizar esta radiaci�n en un tejido se produce una fina quemadura, cuya profundidad (para un sistema de focalizaci�n dado) puede controlarse variando la potencia del l�ser, lo cual constituye el principio de operaci�n del bistur� l�ser. Las aplicaciones de este instrumento en cirug�a general est�n ampliamente difundidas en la actualidad. Una importante ventaja que tiene sobre los bistur�es convencionales radica en que con el l�ser al mismo tiempo que se corta se est� cauterizando; de este modo, es posible realizar complicadas intervenciones quir�rgicas sin gran p�rdida de sangre y con mayor rapidez.
Aparte de las aplicaciones quir�rgicas del l�ser de CO2 destacan sus aplicaciones en dermatolog�a, ginecolog�a, proctolog�a y, recientemente, odontolog�a.
La diferencia fundamental entre un l�ser de gas din�mico y un l�ser convencional de CO2 radica en el m�todo de bombeo empleado. En el l�ser de gas din�mico la radiaci�n l�ser es producida al enfriar r�pidamente una mezcla de gas precalentado que fluye a lo largo de una tobera hasta la cavidad del resonador.
Por las altas potencias que es capaz de proporcionar se ha convertido en una importante alternativa para ciertas aplicaciones industriales.
Funcionamiento de un l�ser de gas din�mico de CO2
Las transiciones energ�ticas vibracionales de la mol�cula de CO2 que son utilizadas para la emisi�n en el l�ser de gas din�mico de CO2 son las mismas que se usan en el l�ser convencional de CO2 y que fueron descritas en la secci�n anterior.
Un l�ser din�mico de CO2 utiliza mezclas gaseosas de CO2: N2: H2O en una relaci�n t�pica de 0.8:9: 0.2 respectivamente. Un requisito esencial de estos l�seres es que el tiempo de paso de la mezcla gaseosa a trav�s de la tobera debe ser menor que el tiempo de vida del CO2 y del N2 en sus estados excitados.
La figura III.13 muestra esquem�ticamente el diagrama de un l�ser de gas din�mico de CO2.
Figura III.13.
La elevada temperatura de la mezcla gaseosa necesaria para obtener la inversi�n de poblaci�n se logra mediante combusti�n de materiales comunes como acetileno, etileno, etc., o calentando directamente la mezcla gaseosa mediante un chispazo producido por una buj�a o un arco. Adem�s del calentamiento causado por la r�pida compresi�n a que es sometido el gas antes de entrar a la tobera.
Con sistemas de esta clase se ha logrado la emisi�n l�ser tanto en el modo continuo como en el pulsado.
La mezcla gaseosa es calentada a temperaturas de alrededor de 1 800� C y sometida a altas presiones (alrededor de 25 atm�sferas). El paso de la mezcla a trav�s de la tobera se realiza a velocidades supers�nicas de 1 200 a 1 500 m/ seg y la expansi�n causada en �sta reduce la temperatura de la mezcla a valores del orden de 550� C y presiones de 0.1 atm�sferas.
La eficiencia de estos l�seres es baja, por lo general no mayor del 1 al 3%, debido a varios problemas. Uno de ellos consiste en que gran parte de la energ�a total de la mezcla gaseosa es convertida en energ�a cin�tica durante la expansi�n en la tobera; asimismo el paso de la mezcla gaseosa a lo largo de la tobera es tan r�pido que una elevada cantidad de mol�culas de N2 no tienen el tiempo de transferir su energ�a a las mol�culas de CO2. Adem�s, algunas mol�culas de CO2 tampoco tienen tiempo de desexcitarse. La soluci�n a estos problemas est� estrechamente relacionada con el dise�o mec�nico-aerodin�mico de la tobera de expansi�n del l�ser.
No obstante su baja eficiencia este l�ser permite extraer grandes cantidades de energ�a l�ser continua debido al elevado flujo de centros activos a trav�s del resonador.
L�seres de este tipo de 100 kW continuos, o a�n m�s, han llegado a construirse.
En forma an�loga al l�ser de gas din�mico de CO2 han sido construidos esta clase de l�seres, utilizando otros tipos de centros activos, como las mol�culas de N2O o de CS2.
En virtud de las altas potencias que se pueden alcanzar con estos l�seres, sus aplicaciones son importantes y variadas, aunque limitadas a campos en los cuales se requieren muy altas potencias l�ser. Entre �stas destacan aplicaciones en la industria metal-mec�nica para soldadura, corte y tratamiento de materiales. Por ejemplo, en la industria naval y aeroespacial es utilizado para el corte de placas met�licas con alta precisi�n, en donde la manipulaci�n y control del l�ser se realiza por medio de robots y computadoras. Debido a su alta potencia, las aplicaciones militares de estos l�seres tambi�n han sido objeto de estudio. Destruir objetivos militares en movimiento en tierra o aire ha sido ya exitosamente realizado.
L�SER DE SOLUCIONES L�QUIDAS ORG�NICAS
El medio activo en este tipo de l�seres est� compuesto por l�quidos en los que se han disuelto compuestos org�nicos, entendidos estos �ltimos c�mo los hidrocarburos y sus derivados.
Estos l�seres son bombeados �pticamente y como en seguida veremos, una de sus m�s importantes caracter�sticas radica en que pueden emitir radiaci�n l�ser en anchas bandas de longitud de onda, es decir que son "sintonizables".
Las mol�culas org�nicas utilizadas como centros activos para este tipo de l�seres se comportan b�sicamente como sistemas de tres niveles de energ�a, tal como se muestra en la figura III.14.
Figura III.14.
De hecho, cada "nivel" corresponde a bandas producidas por la energ�a vibracional de la mol�cula.
El nivel superior de la transici�n l�ser conocido como S1 se puebla al excitar �pticamente las mol�culas de su estado base G al estado S1, por medio de un l�ser o una l�mpara flash.
Por desgracia, el nivel S1 tiene una vida media muy peque�a y las mol�culas que llegan a dicho nivel se desexcitan muy r�pido. Es por tanto necesario realizar una gran cantidad de bombeo para mantener la inversi�n de poblaci�n.
Existe tambi�n otro nivel energ�tico que se conoce como T1 (v�ase la figura III.14), pero este nivel no contribuye a la acci�n l�ser. Este nivel tiene una vida media muy larga y por tanto las mol�culas que llegan all� no regresan al estado base para nuevamente ser excitadas al nivel S1 y as� cerrar el circuito de excitaci�n molecular y emisi�n l�ser. De hecho, cuando una gran cantidad de mol�culas llegan al nivel T1 el l�ser deja de oscilar.
Funcionamiento del l�ser l�quido org�nico
Una forma de evitar los da�inos efectos causados por la presencia del nivel T1 es bombeando el l�ser con un pulso �ptico muy corto; de este modo el l�ser oscila por un tiempo muy breve antes de que las mol�culas sean atrapadas en el nivel T1.
Al compuesto l�quido org�nico se le pueden a�adir algunos "aditivos" que tienen como funci�n desexcitar r�pidamente las mol�culas que llegaron al nivel T1. Otra Soluci�n a este problema es hacer fluir el l�quido org�nico a trav�s del l�ser, de este modo el medio activo se est� renovando constantemente, y permite la operaci�n continua de este tipo de l�seres.
La figura III.15 muestra el esquema t�pico de un l�ser de l�quido org�nico.
Figura III.15.
ALGUNAS APLICACIONES DE LOS L�SERES
En la actualidad hay mas de 200 l�quidos org�nicos que pueden ser usados como medio activo para este tipo de l�ser. Se pueden obtener longitudes de onda de emisi�n desde el ultravioleta hasta el infrarrojo, y realizarse varias aplicaciones cient�ficas en espectroscopía y excitaci�n o absorci�n selectiva, entre muchas otras. Asimismo su utilizaci�n en el problema de la separaci�n isot�pica ha sido objeto de amplia investigaci�n, principalmente al desarrollo de los programas nucleares de varios pa�ses. El Uranio natural U238 contiene aproximadamente el 0.7% del is�topo mas ligero U235, que es requerido por la industria nuclear. La idea b�sica para lograr la separaci�n por medio de un l�ser de dichos is�topos se muestra en la figura III.16. Debido a la diferencia de masa entre los �tomos U238 y U235 los niveles energ�ticos de sus electrones son tambi�n ligeramente diferentes, por lo tanto si utilizamos apropiado es posible ionizar tan solo los �tomos de U235 dejando neutros a los �tomos de U238 . Despu�s de un conjunto de campos magn�ticos separa a los �tomos ionizados de los neutros.
Figura III.16.
Los l�seres de semiconductores son los l�seres m�s eficientes, baratos y peque�os que es posible obtener en la actualidad. Desde su invenci�n en 1962 se han mantenido como l�deres en muchas aplicaciones cient�fico-tecnol�gicas y su continua producci�n masiva nos da un inicio de que esta situaci�n se prolongará por mucho tiempo.
Hemos visto en el primer cap�tulo que podemos considerar a los �tomos como peque�os sistemas solares con electrones girando en �rbitas espec�ficas alrededor de un n�cleo con carga positiva. Los electrones localizados en la �ltima �rbita son llamados electrones de valencia y no son retenidos tan firmemente como los que se encuentran en las �rbitas interiores. Cuando varios �tomos se combinan para formar una mol�cula o una estructura cristalina los electrones de valencia son intercambiados libremente, ligando con esto a los �tomos.
Elementos semiconductores t�picos son el silicio y germanio. Un material semiconductor como el silicio en su forma cristalina tiene sus cuatro electrones de valencia entrelazadas con los �tomos adyacentes.
La figura III.17 es una representaci�n bidimensional de la estructura cristalina del silicio, en ella se muestran sus electrones de valencia y sus n�cleos. A muy bajas temperaturas el silicio se comporta como un aislador, ya que no hay electrones libres que puedan conducir corriente el�ctrica. Sin embargo, a temperatura ambiente, por la agitaci�n t�rmica, algunos electrones ser�n separados de su posici�n dentro de la red cristalina, quedando libres y dejando en su lugar un "hueco" con carga positiva. Si a trav�s del cristal se aplica un campo el�ctrico circular� una peque�a corriente el�ctrica debido al movimiento de electrones libres y de huecos.
Figura III.17.
Todos los materiales existentes pueden clasificarse en las siguientes categor�as: conductores, aislantes o semiconductores. Los primeros son materiales que conducen con facilidad una corriente el�ctrica a trav�s de ellos. Los segundos dif�cilmente conducen corrientes el�ctricas y los �ltimos est�n en una situaci�n intermedia.
Un buen conductor como la plata tiene una conductividad de 6 x 107 mohs/ metro, mientras que un buen aislante como el cuarzo fundido tiene una conductividad de 2 x 10-17 mohs/ metro. Es decir que hay 24 �rdenes de magnitud de diferencia en su conductividad. Un semiconductor tiene una conductividad t�pica de 7 a 14 �rdenes de magnitud menor que un buen conductor. Ejemplos de materiales semiconductores son el germanio (Ge), el silicio (Si) y algunos compuestos como el arsenuro de galio (GaAs) y el sulfuro de plomo (PbS).
Es posible aumentar en forma controlada la conductividad de un semiconductor. Para realizar esto, durante la formaci�n del semiconductor puro se introduce una peque�a cantidad de �tomos "contaminantes" con tres o con cinco electrones de valencia en lugar de s�lo cuatro. La introducci�n de �tomos contaminantes con tres electrones de valencia como por ejemplo el bario (Ba), el galio (Ga) o el indio (In), da lugar a una estructura cristalina imperfecta en la cual han quedado "huecos positivos" que aumentan la conductividad del material. Este tipo de materiales se conocen como semiconductores tipo P y su representaci�n bidimensional se muestra en la figura III.18. De manera similar, la introducci�n de �tomos contaminantes con cinco electrones de valencia, como por ejemplo el f�sforo (P), el ars�nico (As), el bismuto (B) o el antimonio (Sb), da origen a una estructura cristalina imperfecta en la cual han quedado electrones en exceso qu� incrementan la conductividad del material. Estos materiales contaminados con �tomos con cinco electrones de valencia son llamados semiconductores tipo N. Su representaci�n bidimensional se muestra en la figura III.19.
Figura III.18.
Figura III.19.
Diodos y l�seres semiconductores
Cuando un trozo de material semiconductor tipo P y uno tipo N se unen tenemos una "uni�n P-N que es tambi�n conocida como diodo.
Si en este diodo colocamos una bater�a, conectando el polo positivo con el material tipo N y el polo negativo con el material tipo P, el resultado es que los huecos son atra�dos por el potencial negativo de la bater�a y el potencial positivo de la bater�a atrae a los electrones libres. En este caso no puede haber circulaci�n de corriente el�ctrica a trav�s del diodo y d�cimos que est� polarizado en sentido inverso como se muestra en la figura III.20. Por el contrario, si conectamos una bater�a con el polo positivo al material tipo P y el negativo al material tipo N, los huecos positivos son repelidos por el potencial positivo de la bater�a y dirigidos hacia la uni�n de los materiales P y N. Por otra parte, los electrones libres de la regi�n N son repelidos por el potencial negativo de la bater�a y dirigidos tambi�n hacia la uni�n de los materiales P y N. En dicha uni�n los electrones y los huecos se recombinan y permiten as� el paso de corriente.
Figura III.20.
En este caso decimos que tenemos polarizaci�n en sentido directo, como se muestra en la figura III.21. Durante la recombinaci�n de huecos y electrones pueden ser emitidos fotones que generalmente caen en la regi�n infrarroja del espectro.
Figura III.21.
Dise�ando una uni�n P-N de forma adecuada, podemos formar una cavidad l�ser, cuya regi�n activa est� formada por la regi�n de uni�n de los materiales P y N. La realizaci�n pr�ctica de un l�ser de semiconductor se muestra esquem�ticamente en la figura III.22.
Figura III.22.
DE LOS L�SERES DE SEMICONDUCTORES
Debido a su solidez y a sus reducidas dimensiones, estos l�seres encuentran aplicaci�n en cualquier �rea tecnol�gico-cient�fica que demande un l�ser de no muy alta intensidad. Hoy en d�a, una de las aplicaciones principales de estos l�seres se encuentra en los sistemas electro-�pticos de comunicaci�n, en los cuales las l�neas de transmisi�n por medio de cables el�ctricos son sustituidas por fibras �pticas que tienen la ventaja de poder transmitir bastante m�s informaci�n que los cables el�ctricos convencionales, adem�s de ser pr�cticamente insensibles a perturbaciones el�ctricas exteriores. La figura III.23 (a) ilustra la idea b�sica de estos sistemas de comunicaci�n. En la actualidad es posible transmitir hasta 50 000 conversaciones telef�nicas simult�neamente, por medio de una sola fibra �ptica. Estos revolucionarios avances logrados en sistemas de comunicaci�n que utilizan fibras �pticas y diodos l�ser eran inimaginables hace unas cuantas d�cadas.
Figura III.23(a).
Otra aplicaci�n actual muy importante de los diodos l�ser la encontramos en los sistemas de lectura de discos �pticos compactos, mejor conocidos como discos l�ser o discos compactos. Estos discos contienen cierta informaci�n (por lo com�n es m�sica pero tambi�n puede ser la Enciclopedia Brit�nica), grabada digitalmente por medio de perforaciones cortas o largas en una laminilla met�lica que es encapsulada en el pl�stico que constituye el disco compacto (poniendo a contraluz uno de estos discos podremos apreciar la presencia de dichas perforaciones). La lectura de la informaci�n ah� contenida se realiza en la forma que se muestra en la figura III.23 (b). Mientras el disco compacto gira, la presencia o ausencia de perforaciones es detectada por medio de la radiaci�n l�ser reflejada en la superficie del disco. Esta radiaci�n reflejada se convierte finalmente en una se�al el�ctrica por medio del detector mostrado en la misma figura.
Figura III.23(b).
Todos los sistemas l�ser anteriormente vistos basan su funcionamiento en la inversi�n de poblaci�n lograda en un medio activo at�mico o molecular.
Por tanto, la longitud de onda a la cual el l�ser emite est� inevitablemente determinada por los centros activos contenidos en la cavidad l�ser, es decir, por las transiciones energ�ticas permitidas a los �tomos o mol�culas de dicho medio.
Un l�ser basado en la emisi�n de radiaci�n estimulada por electrones libres no tiene las limitaciones propias de los l�seres anteriormente vistos, pues los electrones libres no est�n sujetos a la existencia de transiciones energ�ticas particulares y por lo tanto pueden generar radiaci�n electromagn�tica en cualquier longitud de onda del espectro. Este tipo de l�seres utilizan como medio activo un haz de electrones que se mueve con velocidades cercanas a la de la luz. Debido a esto se le llama haz relativista de electrones.
Podemos describir un l�ser de electrones libres como un instrumento que convierte la energ�a cin�tica de un haz relativista de electrones en radiaci�n l�ser.
Funcionamiento de un l�ser de electrones libres
Aunque el principio f�sico de la emisi�n estimulada, emisi�n espont�nea y absorci�n que tiene lugar en un l�ser convencional no ocurre en un l�ser de electrones libres debido a la inexistencia de centros activos at�micos o moleculares, ocurren procesos hom�logos, como se ver� a continuaci�n.
Como es sabido, una part�cula el�ctricamente cargada —como un electr�n— que es acelerada, radia energ�a en forma de ondas electromagn�ticas. Esta radiaci�n es llamada emisi�n Bremsstrahlung, pero cuando es producida por la aceleraci�n centr�peta de una part�cula relativista en un campo magn�tico recibe el nombre de radiaci�n . Esta radiaci�n posee un espectro continuo desde los rayos X hasta las ondas centim�tricas. En un l�ser de electrones libres podemos generar este tipo de radiaci�n y debido a sus caracter�sticas espectrales la llamaremos emisi�n espont�nea.
Los procesos de emisi�n estimulada y de absorci�n de una onda electromagn�tica en un l�ser de electrones libres ocurren debido al acoplamiento y consecuente intercambio de energ�a entre el haz relativista de electrones y la onda electromagn�tica propagada en �l. Bajo ciertas condiciones la onda electromagn�tica puede absorber la energ�a del haz de electrones. En este caso decimos que el proceso de "emisi�n estimulada" ocurre y por lo tanto la onda electromagn�tica resulta amplificada.
Por otra parte, en otras condiciones la onda electromagn�tica ceder� su energ�a al haz de electrones y en este caso decimos que el proceso de "absorci�n" est� ocurriendo y por lo tanto la energ�a de la onda electromagn�tica ser� absorbida por el haz de electrones.
Sin embargo, los principios b�sicos del electromagnetismo nos dicen que el intercambio de energ�a entre un haz de electrones y una onda electromagn�tica que se propaga de manera colineal a �ste s�lo ocurrir� si los electrones del haz tienen una componente de movimiento transversal a la direcci�n de propagaci�n del haz de electrones.
Para producir esta componente transversal de movimiento en los electrones, se coloca a lo largo del l�ser un conjunto de imanes cuya funci�n es desviar la trayectoria rectil�nea del haz de electrones y convertirla en una trayectoria ondulada, tal como se muestra en la figura III.24. De hecho, al conjunto de tal grupo de imanes se le llama ondulador.
La figura III.25 muestra el dise�o esquem�tico del primer l�ser de electrones libres que se construyó. En este caso, el conjunto de imanes del ondulador forma una estructura helicoidal.
Este tipo de l�ser ha despertado mucho inter�s por la posibilidad que tiene de generar radiaci�n l�ser en la regi�n ultravioleta y de rayos X suaves del espectro.
Figura III.24.
Figura III.25.
ALGUNAS APLICACIONES DE LOS L�SERES
La mayor�a de las aplicaciones de este tipo de l�seres est�n apenas en investigaci�n, pero por su utilidad destacan las relacionadas con el campo m�dico. Por otra parte, aplicaciones militares relacionadas con el proyecto de la iniciativa de defensa estrat�gica estadounidense, mejor conocido como "La Guerra de las galaxias", siguen en estudio. Uno de los objetivos es desarrollar sistemas l�ser colocados en la Tierra o en el espacio, capaces de destruir misiles nucleares. La figura III.26 muestra un bosquejo de una de las opciones estudiadas. No obstante las ventajas actuales y potenciales de este tipo de l�ser, uno de sus mayores inconvenientes es, sin duda, su elevado costo, ya que para generar el medio activo (el haz de electrones) en la actualidad se est�n usando enormes y muy costosos aceleradores de part�culas.
Figura III.26.
