Làser
dispositiu que emet llum mitjançant amplificació òptica From Wikipedia, the free encyclopedia
dispositiu que emet llum mitjançant amplificació òptica From Wikipedia, the free encyclopedia
El làser (acrònim anglès de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation «amplificació de llum per emissió estimulada de radiació») és una font de llum que utilitza un efecte quàntic, l'emissió estimulada, per emetre un raig de llum coherent i normalment d'alta monocromaticitat i direccionalitat. Aquestes propietats el diferencien d'altres fonts de llum habituals, que emeten sempre llum incoherent o de molt baixa coherència.[1] El primer làser funcional va ser un làser de robí, creat per Theodore H. Maiman el 1960 en el laboratori Hughes de Malibú, Califòrnia, i des de llavors ha conegut un desenvolupament extraordinari, i s'ha introduït en nombroses aplicacions, des dels lectors de CD o lectors de codi de barres fins a sofisticats experiments de recerca en física. Per extensió, la llum emesa per un làser s'anomena llum làser.[2]
.PNG)
Tot làser es basa en dos fenòmens físics que es produeixen gràcies a dos elements que el formen: un és el procés d'emissió estimulada que té lloc a l'anomenat medi actiu (el medi que provoca l'emissió làser) i l'altre el procés d'amplificació i interferència que té lloc a la cavitat ressonant.[3]
Quan un fotó interacciona amb un àtom es poden produir dos fenòmens: l'absorció o l'emissió estimulada. En el primer cas el fotó és absorbit per l'àtom i aquest augmenta la seva energia (un electró puja a un nivell energètic superior). En el segon cas l'àtom disminueix la seva energia (un electró baixa a un nivell energètic inferior) i emet un fotó d'energia, longitud d'ona, direcció i fase idèntiques a les del fotó incident, de manera que abans de la interacció teníem un fotó i després en tenim dos d'idèntics.
En el medi actiu del làser s'aconsegueix, jugant hàbilment amb els nivells electrònics dels àtoms, que el procés d'emissió estimulada superi el procés d'absorció; aquesta situació s'anomena inversió de població, és a dir, hi ha més àtoms en estats excitats que en estats de menor energia, de manera que si inicialment partim d'un sol fotó, després de passar a través del medi actiu n'haurem obtingut una quantitat considerable. Per aconseguir la inversió de població cal subministrar energia al medi actiu, procés que s'anomena bombament i s'aconsegueix amb una descàrrega elèctrica o llum (un flaix, un altre làser, etc.).[1][4]
En aquest punt és on entra en joc la cavitat ressonant o interferòmetre. Aquesta consisteix, en la majoria de tipus més simples de làsers, simplement en dos miralls col·locats als extrems del medi actiu; un d'aquests miralls és perfectament reflector i l'altre deixa passar una certa quantitat de llum, aquesta part de la llum és precisament la que surt del làser, la que es pot veure i utilitzar.
La importància dels miralls rau en el fet que si no hi haguessin miralls el feix de llum que s'està amplificant només passaria una vegada per l'interior del medi actiu; en canvi, col·locant els miralls es confina el feix de llum i està obligat a realitzar un camí d'anada i tornada entre els miralls; a cada pas pel medi actiu el feix s'amplifica cada vegada més gràcies a l'emissió estimulada.Jugant hàbilment amb la distància entre miralls i la seva reflectivitat s'aconsegueix l'equilibri entre l'amplificació del feix i la pèrdua d'energia a través del mirall (la llum útil aprofitable que emet).
El procés d'emissió làser pot resumir-se amb l'esquema que es presenta a continuació:
Per la mateixa naturalesa del procés d'emissió de la llum (l'emissió estimulada), aquesta és d'una gran coherència (és a dir, totes les ones electromagnètiques emeses estan en fase). D'altra banda, el feix dins la cavitat i el feix que surt, si no es condueixen per guies d'ones (com una fibra òptica), acostumen a ser feixos anomenats gaussians (és a dir, la intensitat de llum des del centre del feix cap als seus extrems té forma de campana de Gauss) i tenen una divergència normalment molt petita (són molt col·limats, és a dir, «s'obren» molt poc); cal remarcar que no és possible crear un feix perfectament col·limat a causa de la difracció. Per exemple, un feix d'un làser d'heli-neó habitual divergeix fins a un diàmetre d'1,6 km a una distància de 350.000 km (aproximadament la distància de la Terra a la Lluna); en canvi, el feix d'un làser de semiconductor divergeix molt ràpidament en un angle considerable (fins a 50°).
En general els làsers emeten llum molt monocromàtica, però alguns tipus de làsers, com els làsers de colorants i alguns làsers d'estat sòlid produeixen llum en un ampli espectre de longituds d'ona; això els fa ideals per a generar polsos de llum extremadament curts, que actualment han assolit l'ordre d'un femtosegon (10-15 segons). La monocromaticitat, malgrat ser habitual en molts làsers, no n'és una característica definitòria. També cal remarcar que, tot i que els làsers més habituals emeten llum visible, també existeixen làsers d'infraroigs i d'ultraviolats.
La intensitat de sortida del làser pot ser contínua (anomenada CW, continous wave) o polsada, mitjançant tècniques com la commutació Q (Q-switching), la sincronització de modes (mode-locking) o la commutació de guany (gain switching). Per a una mateixa energia del làser, el funcionament polsat permet obtenir potències molt més elevades (recordem que la potència és energia dividida per temps, de manera que amb temps molt petits es poden assolir potències molt altes). Actualment, s'aconsegueixen polsos extremadament curts, de l'ordre del femtosegon (10-15 s).
El 1917, Albert Einstein establí els fonaments teòrics per al làser i el màser en la seva publicació Zur Quantentheorie der Strahlung (Sobre la teoria quàntica de la radiació).[5] L'any 1926 Albert Einstein en derivà les equacions bàsiques per als processos d'interacció radiació-matèria (l'absorció, l'emissió estimulada i l'emissió espontània).[1][3][4] Nogensmenys, la idea de combinar aquest procés amb una cavitat que l'amplifiqués no arribà fins després de la Segona Guerra Mundial.
El 1953, Charles H. Townes i els estudiants James P. Gordon i Herbert J. Zeiger van produir el primer màser, un aparell equivalent al làser però per produir microones i no llum visible. Aquest màser, però, no podia emetre radiació de forma continuada. Al mateix temps, Nikolai Bàssov i Aleksandr Mikhàilovitx Prókhorov solucionaren els problemes de l'emissió contínua i aconseguiren crear un estat d'inversió de població permanent. Townes, Bàssov i Prókhorov guanyaren el Premi Nobel el 1964. A finals dels anys 1950 es començà a passar de les microones cap al visible, per intentar construir l'equivalent del màser per a la llum visible: el «màser òptic». El mateix Townes i Arthur Leonard Schawlow, al mateix temps que l'equip soviètic de Bàssov estudiaren diverses aplicacions de nous nivells electrònics dels àtoms i nous dissenys de cavitats ressonants.[6]
Finalment, el primer làser funcional el dissenyà i construí el 1960 Theodore H. Maiman als laboratoris de recerca Hughes, a Malibú, Califòrnia, avançant-se als equips de Townes a la Universitat de Colúmbia i de Schawlow als laboratoris Bell. Maiman dissenyà un cristall de robí amb un bombament per flaix per produir una emissió làser vermella de 694 nm. Aquest làser, però, només podia funcionar en règim polsat. Més endavant, l'iranià Ali Javan, juntament amb William Bennet i Donald Herriot, construí el primer làser de gas utilitzant heli i neó.
La idea de làsers de semiconductors fou proposada per Bàssov i Javan, i el primer díode làser el construí Robert N. Hall el 1962. El làser de Hall estava format per un díode d'arsenur de gal·li i alumini i emetia a 850 nm (en l'infraroig proper). Poc després apareixien els primers làsers de semiconductors d'emissió en el visible. Inicialment tots aquests làsers de semiconductors funcionaven en règim polsat; no fou fins al 1970 que aparegueren els primers en emissió contínua.
La primera aplicació quotidiana dels làsers fou per a lectors de codis de barres, iniciada el 1974. Posteriorment els lectors de CD, introduïts el 1982, foren els primers dispositius amb làser que es convertiren en un aparell domèstic a gran escala.
El 1992 es va aconseguir per primera vegada l'emissió làser sense mantenir el medi actiu en condicions d'inversió de població, en un gas de sodi, i una altra vegada el 1995 en un gas de rubidi, per diversos equips de recerca internacionals. Això s'aconseguí utilitzant un màser extern per provocar "transparència òptica" en el medi introduint i interferint, de manera destructiva, transicions electròniques fonamentals entre dos estats, de manera que s'anul·lés la probabilitat d'absorció per als electrons fonamentals.
Els objectius actuals en la tecnologia i recerca del làser passen per obtenir noves freqüències d'emissió (especialment a freqüències petites, com el blau, el violat i fins i tot l'ultraviolat), aconseguir polsos ultracurts, obtenir potències més elevades, tant en règim polsat com continu, i millorar l'eficiència (és a dir el quocient entre l'energia obtinguda i la subministrada a l'aparell).
Actualment existeix una gran diversitat de tipus de làsers, que es classifiquen bàsicament segons el tipus de medi actiu utilitzat. Els diferents medis actius permeten obtenir diferents longituds d'ona de la llum emesa, diferents amplades de banda, diferents potències o diferents graus de monocromaticitat, entre altres característiques.[7] Els tipus més importants són els següents:
En el moment de la seva invenció, el 1960, els làsers es consideraven «una solució que buscava un problema».[6] Des de llavors, s'han tornat omnipresents, trobant utilitat en milers d'aplicacions altament variades i en tots els àmbits de la societat moderna, incloent-hi l'electrònica de consum, la tecnologia de la informació, la recerca, la medicina, la indústria, l'aplicació de la llei i les aplicacions militars. S'han considerat com un dels desenvolupaments tecnològics més influents del segle xx.
Els beneficis dels làsers en diverses aplicacions provenen de les seves propietats com la gran coherència, l'alta monocromaticitat o la capacitat d'assolir potències extremadament altes. Per exemple, un raig làser altament coherent es pot focalitzar fins al seu límit de difracció, que a longituds d'ona del visible correspon a només uns pocs centenars de nanòmetres. Aquesta propietat permet que un làser enregistri gigabytes d'informació en els orificis microscòpics d'un DVD. També permet que un làser de potència modesta es pugui focalitzar a intensitats molt altes i ser utilitzat per tallar, cremar o fins i tot vaporitzar materials. Per exemple, un làser de granat d'alumini i itri dopat amb neodimi (Nd:YAG) amb duplicació de freqüència, que emet llum a 532 nm (verd) amb una potència de 10 W, és teòricament capaç d'aconseguir una intensitat de megavats per centímetre quadrat.
Algunes de les aplicacions més habituals dels làsers són:
Els làsers es classifiquen a partir de la longitud d'ona i la potència màxima en quatre classes i algunes subclasses des de la dècada de 1970. Les classificacions tenien com a propòsit categoritzar els làsers d'acord amb la seva capacitat de causar danys a les persones exposades.
Les potències de làser mencionades són valors típics; la classificació també depèn de l'amplitud d'ona i de si el làser és pulsatiu o continu. A més un làser de qualsevol potència es pot classificar com a «Producte Làser Classe I» si la radiació del làser no és accessible a través de l'ús convencional.
En realitat, fins i tot els làsers de baixa potència (amb només uns pocs mil·livats de potència de sortida) poden ser perillosos per a la visió humana. A les longituds d'ona visibles, que la còrnia i la lent poden focalitzar bé, la coherència i poca divergència del làser impliquen que un feix làser pugui ser focalitzat per l'ull en un punt extremadament petit sobre la retina, provocant cremades localitzades i danys permanents en qüestió de segons, o fins i tot menys.
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
