EL LÁSER, QUÉ JOYA!

2014 es el año Internacional de la Cristalografía y se homenajea con el Festival de la  Cristalografía desde el blog educación química. Y ¡cómo no hacerlo, si mi primer recuerdo de ciencias es un prisma de cuarzo para explicar la óptica!

Esta es la excusa; el tema de este Post es el láser, una técnica joven que sigue generando líneas de investigación y que parte de un cristal sintético de óxido de aluminio.

Láser de rubí pulsado

Light amplification by stimulated emission of radiation,  Dispositivo original de Maiman que usa una barra de rubí sintético de Al2O3 con un 0,05% peso de Cr2O3. El rubí, que sigue siendo uno de los medios cristalinos más comunes para láser, había sido usado para maser (microware amplification by stimulated emission of radiation).

La barra estaba rodeada por un tubo helicoidal de descarga gaseosa de destello que suministraba un bombeo óptico de banda ancha. El rubí aparece rojo por que las bandas de absorción de los átomos de cromo se hallan en las regiones  azul y verde del espectro. Al dar corriente, en el tubo de destello se genera una ráfaga intensa de luz que dura unos poco milisegundos. Mucha de esta energía se pierde en calor pero muchos iones de Cr+3 se excitan a bandas de absorción.

Los iones excitados se relajan rápidamente (100ns), cediendo la energía de red del cristal y dando lugar a transiciones no radiactivas. Prefieren bajar a un par de estados provisionales muy cercanos de vida particularmente larga, permaneciendo en estos estados metaestables por varios miliseg (3 ms a Tª ambiente) antes de bajar al azar y en muchos casos espontáneamente, al estado fundamental. Este paso se acompaña de la emisión de la radiación roja fluorescente característica del rubí.

Es lo mismo que un edificio de varias plantas: los átomos aluminio son los vecinos y los de cromo, los invitados. Suben en el ascensor a plantas más altas, pero bajan andando. Si el piso es muy alto, se quedan en el descansillo un tiempo (estado metaestable) y llegan al portal mejor.

La transición de nivel inferior predomina mientras que la emisión resultante ocurre en un rango espectral relativamente ancho centrado alrededor de 694,3 mm; emerge en todas las direcciones y es incoherente. 

Al aumentar ligeramente la velocidad de bombeo, se produce inversión de población y así los primeros escasos fotones emitidos espontáneamente estimulan una reacción en cadena. Un cuanto excita la emisión rápida en fase de otro, pasando energía de los átomos metaestables a la onda luminosa en desarrollo.  Todos los vecinos bajan juntos del descansillo al portal por las estrechas escaleras, como un rayo rojo.

Un gran equipo donde las anchas bandas de absorción facilitan bastante la excitación, y la larga vida media del estado metaestable simplifica a inversión de población. Se habla de un láser de 3 niveles.

El láser de rubí de hoy en día es una fuente de gran potencia de radiación coherente pulsada que se emplea ampliamente.  El típico láser de rubí comercial funciona con una eficiencia global modesta, inferior al 1% y produce un haz cuyo diámetro va de 1mm a 25 mm, siendo la divergencia entre 0,25 mrad y 7 mrad aprox.

Desarrollo

Ya se han reflejado los haces de láser en la luna, han soldado retinas desprendidas, generado neutrones por fusión, estimulado el crecimiento de semillas…Y se sigue investigando, desde la restauración de obras pictóricas hasta biofotónica y microcirugía.

El CSIC desarrolla un horno láser que reduce el impacto ambiental en la fabricación de cerámica industrial al disminuir la Tª de cocción.

GPL – Grupo de Procesado por Láser http://www.io.csic.es/Web_GPL/index.html

Este artículo participa en el I Festival de la Cristalografía, que aloja este blog; y en el XXIX Carnaval de la Química, que aloja el excelente blog Más ciencia, por favor del entusiasta profesor, investigador, divulgador y educador Héctor Busto (@hebusto).

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2 comentarios en “EL LÁSER, QUÉ JOYA!

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