Física moderna

“El láser y la Holografía”

Alumnos: Fernando Álvarez VillalvazoLuis Manuel Ortiz

Francisco Pensamientos HernándezCristopher Leyva

Introducción

En física moderna, el fotón es la partícula elemental portadora de todas las formas de radiación electromagnética.

Incluye los rayos cósmicos, gamma, rayos X, luz ultravioleta, luz visible, luz infrarroja, microondas y ondas de radio.

El nombre moderno “fotón” proviene de la palabra griega φῶς (que se transcribe como phôs), que significa luz, y fue acuñado en 1926 por el físico Gilbert N. Lewis

Invención del LáserCharles Hard Townes (1915) es considerado junto

con Arthur Leonard Schawlow, el inventor del láser. Patentado en 1960

En 1964: Premio Nobel de Física junto a los soviéticos Nikolái Básov y Aleksander Prójorov por sus los trabajos fundamentales en el campo de la electrónica cuántica

Inventores del Láser(Patentado en 1960)

Charles Hard Townes (1915) Premio Nobel de Física en 1964

Arthur Leonard Schawlow (1921) Premio Nobel de Física en 1981

Base teórica: Emisión espontánea e inducida de la Radiación.

En 1916, Albert Einstein estableció los fundamentos para el desarrollo de los láseres y de sus predecesores, los máseres (microondas), utilizando la ley de radiación de Max Planck basada en los conceptos de emisión espontánea e inducida de radiación

En Física se denomina emisión espontánea al proceso por el cual un átomo, una molécula o un núcleo, en un estado excitado, pasa a un estado de energía más bajo.

Como se cumple el principio de conservación de energía, el resultado es la emisión de un fotón.

Emisión Estimulada: Los fotones se "clonan" a si mismos.

Fue predicho por Einstein en su derivación de E=hν, y condujo al desarrollo del Láser y de sus predecesores los Máseres (emiten microondas)

Emisión estimulada y espontánea

Láser: Es acrónimo del inglés de: Light Amplification by Stimulated Emission of

Radiation ("Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de

Radiación")

Un láser es un aparato compuesto por un medio sólido, líquido o gaseoso dentro de una cavidad limitada por dos espejos paralelos, uno de ellos semitransparente.

Si los átomos de ese medio son excitados se elevan a un nivel de energía que no es estable y para volver a su estado liberan esa energía en forma de fotones.

Parte de esa luz sale al exterior a través del espejo semitransparente en forma de pulsos o como un rayo continuo.

Componentes principales:1. Medio activo para la

formación del láser2. Energía bombeada para el

láser3. Espejo reflectante al 100%4. Espejo reflectante al 99%5. Emisión del rayo láser

El láser es monocromático por emisión de fotones con una sola longitud de onda, luz de un solo color.

Coherente: Todas las ondas están en la misma fase Colimado … El flujo de la energía es unidireccional, de modo que

cada rayo del haz puede considerarse paralelo a cualquier otro.

Clasificación de los LáserSegún categoría de riesgo

La capacidad de un láser para producir un riesgo está determinada principalmente su longitud de onda, duración o tiempo de exposición y potencia o energía del haz.

Clase 1: Seguros en todas las condiciones de utilización

Clase 2: Longitud de onda 400 y 700 nm. con una potencia inferior o igual a 1mW. La protección ocular se consigue normalmente por las respuestas de aversión, incluido el reflejo parpebral. Esta reacción puede proporcionar la adecuada protección aunque se usen instrumentos ópticos

Clase 3a: Potencia de <5mW, cuya visión directa del haz es potencialmente peligrosa.

Clase 3B: Visión directa o una reflexion del haz es siempre peligrosa para el ojo no protegido, potencia entre 5 y 500mW.

Clase 4: Láseres que también pueden producir reflexiones difusas peligrosas (>500mW). Pueden causar daños sobre la piel y pueden también constituir un peligro de incendio. Su utilización precisa extrema precaución.

Parámetros Físicos del LáserLa luz Laser es una forma de energía. Esta energía viene representada en

Joules (J).

La potencia de un Laser viene expresada en vatios (W),Representa la cantidad de energía emitida en Joules por segundo.Un vatio de potencia es equivalente a un Joule de energía emitida en un segundo.

Potencia (W) = Energía (J) / Tiempo (seg.)

El Laser puede ser activado en forma pulsada. Estos pulsos se producen en unidades de tiempo. Este parámetro se mide en pulsos por segundo: p.p.s.

La frecuencia de las pulsaciones viene representada en Hertz. Frecuencia: ciclo por segundo. Hertz (Hz.)

Spot: El tamaño del punto luminoso, o punto focal, representa el área de energía del Laser que se aplica al material que sirve de blanco. Se mide en centímetros cuadrados (cm2); también se expresa en términos del diámetro del área circular en micrones (µ).Spot o tamaño del punto luminoso: (cm2) o (µ)

Densidad de la potencia es la variable más importante en la determinación del efecto que un Laser tiene sobre el material irradiado. Se calcula como la potencia, expresada en vatios (W), dividida por el tamaño del punto luminoso en centímetros cuadrados (cm2)

Densidad de potencia = Potencia (W) / tamaño del punto luminoso (cm2)

Emisión de la luz Laser: Onda Continua, Pulsada o Fraccionada

Ondas continuas: Consiste en la estabilización de la energía emitida continuamente. Es decir, mientras el Láser esté activado, la salida del haz será constante.

Onda Pulsada: Es un conjunto de pulsaciones repetidas en serie, ya que la energía es emitida en cortos estallidos; entre las pulsaciones no hay energía que se transmita.

APLICACIONES Y EFECTOS DE RAYOS LÁSER BIOFÍSICOS

La terapia láser es la irradiación curativa en tejido biológico por la emisión de láser de baja energía. Este método se emplea con preferencia en la fisioterapia y en particular en la fototerapia, porque la emisión láser es una onda electromagnética de la gama óptica que tiene propiedades como la monocromática, cohesión, polarización y la orientación del flujo de la emisión. Lo que permite crear una potencia estrictamente determinada para irradiar la superficie del organismo humano.

INDUSTRIA

Es posible enfocar sobre un punto pequeño un haz de láser potente, con lo que se logra una enorme densidad de energía. Los haces enfocados pueden calentar, fundir o vaporizar materiales de forma precisa. Por ejemplo, los láseres se usan para taladrar diamantes, modelar máquinas herramientas, recortar componentes microelectrónicos, calentar chips semiconductores, cortar patrones de moda, sintetizar nuevos materiales o intentar inducir la fusión nuclear controlada. El potente y breve pulso producido por un láser también hace posibles fotografías de alta velocidad con un tiempo de exposición de algunas billonésimas de segundo. En la construcción de carreteras y edificios se utilizan láseres para alinear las estructuras.

INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA

Los láseres se emplean para detectar los movimientos de la corteza terrestre y para efectuar medidas geodésicas. También son los detectores más eficaces de ciertos tipos de contaminación atmosférica. Los láseres se han empleado igualmente para determinar con precisión la distancia entre la Tierra y la Luna y en experimentos de relatividad. Actualmente se desarrollan conmutadores muy rápidos activados por láser para su uso en aceleradores de partículas, y se han diseñado técnicas que emplean haces de láser para atrapar un número reducido de átomos en un vacío con el fin de estudiar sus espectros con una precisión muy elevada.

Como la luz del láser es muy direccional y monocromática, resulta fácil detectar cantidades muy pequeñas de luz dispersa o modificaciones en la frecuencia provocadas por materia. Midiendo estos cambios, los científicos han conseguido estudiar las estructuras moleculares.

Los láseres han hecho que se pueda determinar la velocidad de la luz con una precisión sin precedentes; también permiten inducir reacciones químicas de forma selectiva y detectar la existencia de trazas de sustancias en una muestra.

COMUNICACIONES La luz de un láser puede viajar largas distancias por el espacio exterior con una pequeña reducción de la intensidad de la señal. Debido a su alta frecuencia, la luz láser puede transportar, por ejemplo, 1.000 veces más canales de televisión de lo que transportan las microondas. Por ello, los láseres resultan ideales para las comunicaciones espaciales. Se han desarrollado fibras ópticas de baja pérdida que transmiten luz láser para la comunicación terrestre, en sistemas telefónicos y redes de computadoras. También se han empleado técnicas láser para registrar información con una densidad muy alta. Por ejemplo, la luz láser simplifica el registro de un holograma, a partir del cual puede reconstruirse una imagen tridimensional mediante un rayo láser.

TECNOLOGÍA MILITAR Los sistemas de guiado por láser para misiles, aviones y satélites son muy comunes. La capacidad de los láseres de colorante sintonizables para excitar de forma selectiva un átomo o molécula puede llevar a métodos más eficientes para la separación de isótopos en la fabricación de armas nucleares.

LÁSER ATÓMICO En enero de 1997, un equipo de físicos estadounidenses anunció la creación del primer láser compuesto de materia en vez de luz. Del mismo modo que en un láser de luz cada fotón viaja en la misma dirección y con la misma longitud de onda que cualquier otro fotón, en un láser atómico cada átomo se comporta de la misma manera que cualquier otro átomo, formando una “onda de materia” coherente.Los científicos confían en las numerosas e importantes aplicaciones potenciales de los láseres atómicos, aunque presenten algunas desventajas prácticas frente a los láseres de luz debido a que los átomos están sujetos a fuerzas gravitatorias e interaccionan unos con otros de forma distinta a como lo hacen los fotones.

HOLOGRAFIA

La holografía es una técnica avanzada de fotografía, que consiste en crear imágenes tridimensionales. Para esto se utiliza un rayo láser, que graba microscópicamente una película fotosensible. Ésta, al recibir la luz desde la perspectiva adecuada, proyecta una imagen en tres dimensiones.

La holografía fue inventada en el año 1947 por el físico húngaro Dennis Gabor,. Sin embargo, se perfeccionó años más tarde con el desarrollo del láser, pues los hologramas de Gabor eran muy primitivos a causa de las fuentes de luz tan pobres que se utilizaban en sus tiempos.

Observación del holograma

Alumbramos el holograma con ondas planas que vienen de la izquierda. La luz pasa por los "espacios" transparentes del holograma y cada "espacio" crea ondas semiesféricas que se propagan hacia la derecha. En la imagen a la derecha solo hemos dibujado la parte interesante de la cresta de las ondas.

Se aclara que las ondas que salen de los "espacios" de la placa se adicionan para dar frentes de onda semiesféricos similares a los frentes producidos por la luz reflejada por el punto de la escena.

Un observador situado a la derecha de la placa ve luz que parece salir de un punto situado en el sitio donde estaba el punto de la escena. Eso es debido al hecho que el holograma deja pasar – o favorece – la luz que tiene la "buena" fase en el "buen" sitio.

Un objeto en lugar de un punto único

En realidad, la luz reflejada por una pequeña parte de un objeto (el punto del ejemplo precedente) es débil y solo puede contribuir a que zonas del holograma sean un poco más oscuras o más claras. Eso no impide la formación de frentes de onda semiesféricos durante la lectura del holograma. El observador encontrará solamente, que el punto es poco brillante.Un segundo punto luminoso añade, al grabado del holograma, sus propias zonas un poco más claras u oscuras.

A la observación, el segundo juego de zonas claras y oscuras crea otro conjunto de frentes de onda que parece originarse de la posición donde se encontraba el segundo punto. Si el punto se encontraba más lejos, se le "verá" más lejos y viceversa. El holograma graba la información tridimensional de la posición de los puntos.

Un objeto grande no es otra cosa que un conjunto de puntos. Cada zona puntual del objeto crea zonas más o menos grises que se adicionan en la placa. Cada conjunto de zonas grises crea, a la observación, ondas semiesféricas que parecen salir del "buen" sitio del espacio: y así vemos una imagen (virtual) del objeto