L??ser

De Viquip??dia

...

L??sers en un espectacle musical.

El l??ser (acr??nim angl??s de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ??amplificaci?? de llum per emissi?? estimulada de radiaci????) ??s una font de llum que utilitza un efecte qu??ntic, l'emissi?? 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 coher??ncia. El primer l??ser funcional va ser un l??ser de rob??, creat per Theodore H. Maiman el 1960 en el laboratori Hughes de Malib??, Calif??rnia, i des de llavors ha conegut un desenvolupament extraordinari, introduint-se en nombroses aplicacions, des dels lectors de CD o lectors de codi de barres fins a sofisticats experiments de recerca en f??sica. Per extensi?? s'anomena llum l??ser a la llum emesa per un l??ser.

[edita] Principi de funcionament

Esquema b??sic d'un l??ser (d'He-Ne). S'hi poden observar els elements b??sics: la cavitat ressonant amb els miralls i el medi actiu.

Tot l??ser es basa en dos fen??mens f??sics que es produeixen gr??cies a dos elements que el formen: un ??s el proc??s d'emissi?? estimulada que t?? lloc a l'anomenat medi actiu (el medi que provoca l'emissi?? l??ser) i l'altre el proc??s d'amplificaci?? i interfer??ncia que t?? lloc a la cavitat ressonant.

Quan un fot?? interacciona amb un ??tom es poden produir dos fen??mens: l'absorci?? o l'emissi?? estimulada. En el primer cas el fot?? ??s absorbit per l'??tom i aquest augmenta la seva energia (un electr?? puja a un nivell energ??tic superior). En el segon cas l'??tom disminueix la seva energia (un electr?? baixa a un nivell energ??tic inferior) i emet un fot?? d'energia, longitud d'ona, direcci?? i fase id??ntiques a les del fot?? incident, de manera que abans de la interacci?? ten??em un fot?? i despr??s en tenim dos d'id??ntics. En el medi actiu del l??ser s'aconsegueix, jugant h??bilment amb els nivells electr??nics dels ??toms, que el proc??s d'emissi?? estimulada superi el proc??s d'absorci??; aquesta situaci?? s'anomena inversi?? de poblaci??, ??s a dir, hi ha m??s ??toms en estats excitats que en estats de menor energia, de manera que si inicialment partim d'un sol fot??, despr??s de passar a trav??s del medi actiu n'haurem obtingut una quantitat considerable. Per aconseguir la inversi?? de poblaci?? cal subministrar energia al medi actiu, proc??s que s'anomena bombeig i s'aconsegueix amb una desc??rrega el??ctrica o llum (un flaix, un altre l??ser, etc.).

En aquest punt ??s on entra en joc la cavitat ressonant o interfer??metre. Aquesta consisteix, en la majoria de tipus m??s simples de l??sers, simplement en dos miralls col??locats als extrems del medi actiu; un d'aquests miralls ??s perfectament reflector i l'altre deixa passar una certa quantitat de llum, aquesta part de la llum ??s precisament la que surt del l??ser, la que es pot veure i utilitzar. La import??ncia dels miralls rau en el fet que si no hi hagu??s miralls el feix de llum que s'est?? amplificant nom??s passaria una vegada per l'interior del medi actiu; en canvi, col??locant els miralls es confina el feix de llum i est?? obligat a realitzar un cam?? d'anada i tornada entre els miralls; a cada pas pel medi actiu el feix s'amplifica cada vegada m??s gr??cies a l'emissi?? estimulada. Jugant h??bilment amb la dist??ncia entre miralls i la seva reflectivitat s'aconsegueix l'equilibri entre l'amplificaci?? del feix i la p??rdua d'energia a trav??s del mirall (la llum ??til aprofitable que emet). El proc??s d'emissi?? l??ser pot resumir-se amb l'esquema que es presenta a continuaci??:

1. El bombeig excita ??toms i ens crea inversi?? de poblaci??: m??s ??toms en estats excitats que en estats de menor energia.
2. Els ??toms retornen a un estat inferior d'energia per emissi?? espont??nia, emetent fotons de qualsevol fase i en qualsevol direcci??. La majoria d'aquests fotons es perden sense m??s efecte.
3. Algun dels fotons emesos surt aleat??riament en la direcci?? de l'eix de la cavitat ressonant i queda confinat pels miralls, viatjant endavant i endarrere per la cavitat.
4. En aquest "viatge" provoca l'emissi?? estimulada de nous fotons en interaccionar amb els ??toms del medi actiu (que recordem segueix en inversi?? de poblaci?? a causa del bombeig).
5. Les caracter??stiques de l'emissi?? estimulada ens asseguren que els nous fotons seran id??ntics (en freq????ncia, en fase i en direcci??) a l'original.
6. Els nous fotons s'afegeixen al proc??s iniciat pel primer fot?? al pas 3.
7. La quantitat de fotons generada creix exponencialment fins que el ritme de creaci?? s'equilibra amb les p??rdues de llum a trav??s d'un dels miralls (la llum l??ser que surt de l'aparell i que podem aprofitar).
8. L'emissi?? espont??nia (aleat??ria i omnidireccional) segueix tenint lloc, per?? ??s menyspreable comparada amb l'estimulada.

[edita] Caracter??stiques de la llum l??ser

Per la pr??pia naturalesa del proc??s d'emissi?? de la llum (l'emissi?? estimulada), aquesta ??s d'una gran coher??ncia (??s a dir, totes les ones electromagn??tiques 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 ??ptica), acostumen a ser feixos anomenats gaussians (??s a dir, la intensitat de llum des del centre del feix cap als seus extrems t?? forma de campana de Gauss) i tenen una diverg??ncia normalment molt petita (s??n molt col??limats, ??s a dir, ??s'obren?? molt poc); cal remarcar que no ??s possible crear un feix perfectament col??limat a causa de la difracci??. Per exemple, un feix d'un l??ser d'heli-ne?? habitual divergeix fins a un di??metre de 1,6 km a una dist??ncia de 350.000 km (aproximadament la dist??ncia de la Terra a la Lluna); en canvi, el feix d'un l??ser de semiconductor divergeix molt r??pidament en un angle considerable (fins a 50??).

En general els l??sers emeten llum molt monocrom??tica, per?? alguns tipus de l??sers, com els l??sers de colorants i alguns l??sers d'estat s??lid produeixen llum en un ampli espectre de longituds d'ona; aix?? 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 l??sers, no n'??s una caracter??stica definit??ria. Tamb?? cal remarcar que, tot i que els l??sers m??s habituals emeten llum visible, tamb?? existeixen l??sers d'infraroigs i d'ultraviolats.

[edita] Mode continu i mode polsat

La intensitat de sortida del l??ser pot ser cont??nua (anomenada CW, continous wave) o polsada, mitjan??ant t??cniques com la commutaci?? Q (Q-switching), la sincronitzaci?? de modes (mode-locking) o la commutaci?? de guany (gain switching). Per a una mateixa energia del l??ser, el funcionament polsat permet obtenir pot??ncies molt m??s elevades (recordem que la pot??ncia ??s energia dividida per temps, de manera que amb temps molt petits es poden assolir pot??ncies molt altes). Actualment, s'aconsegueixen polsos extremadament curts, de l'ordre del femtosegon (10^-15 s).

[edita] Hist??ria i desenvolupament

Gr??fica que mostra l'evoluci?? de la pot??ncia dels l??sers fins a l'actualitat.

La base del l??ser, l'emissi?? estimulada, fou establerta per Albert Einstein l'any 1926, quan deriv?? les equacions b??siques per als processos d'interacci?? radiaci??-mat??ria (l'absorci??, l'emissi?? estimulada i l'emissi?? espont??nia). Nogensmenys, la idea de combinar aquest proc??s amb una cavitat que l'amplifiqu??s no arrib?? fins despr??s de la Segona Guerra Mundial.

El 1953, Charles H. Townes i els estudiants James P. Gordon i Herbert J. Zeiger van produir el primer m??ser, un aparell equivalent al l??ser per?? per produir microones i no llum visible. Aquest m??ser, per??, no podia emetre radiaci?? de forma continuada. Al mateix temps, Nikolai Basov i Aleksandr Prokhorov solucionaren els problemes de l'emissi?? cont??nua i aconseguiren crear un estat d'inversi?? de poblaci?? permanent. Townes, Basov i Prokhorov guanyaren el Premi Nobel el 1964. A finals dels anys 1950 es comen???? a passar de les microones cap al visible, per intentar construir l'equivalent del m??ser per a la llum visible: el ??m??ser ??ptic??. El mateix Townes i Arthur Leonard Schawlow, al mateix temps que l'equip sovi??tic de Basov estudiaren diverses aplicacions de nous nivells electr??nics dels ??toms i nous dissenys de cavitats ressonants.

Finalment, el primer l??ser funcional el disseny?? i constru?? el 1960 Theodore H. Maiman als laboratoris de recerca Hughes, a Malib??, Calif??rnia, avan??ant-se als equips de Townes a la Universitat de Columbia i de Schawlow als laboratoris Bell. Maiman disseny?? un cristall de rob?? amb un bombeig per flaix per produir una emissi?? l??ser vermella de 694 nm. Aquest l??ser, per??, nom??s podia funcionar en r??gim polsat. M??s endavant, l'irani?? Ali Javan, juntament amb William Bennet i Donald Herriot, constru?? el primer l??ser de gas utilitzant heli i ne??.

La idea de l??sers de semiconductors fou proposada per Basov i Javan, i el primer d??ode l??ser el constru?? Robert N. Hall el 1962. El l??ser de Hall estava format per un d??ode d'arseniur de gal??li i alumini i emetia a 850 nm (en l'infraroig proper). Poc despr??s apareixien els primers l??sers de semiconductors d'emissi?? en el visible. Inicialment tots aquests l??sers de semiconductors funcionaven en r??gim polsat; no fou fins el 1970 que aparegueren els primers en emissi?? cont??nua.

La primera aplicaci?? quotidiana dels l??sers fou per a lectors de codis de barres, iniciada el 1974. Posteriorment els lectors de CD, introdu??ts el 1982, foren els primers dispositius amb l??ser que es convertiren en un aparell dom??stic a gran escala.

[edita] Desenvolupaments recents

El 1992 es va aconseguir per primera vegada l'emissi?? l??ser sense mantenir el medi actiu en condicions d'inversi?? de poblaci??, en un gas de sodi, i una altra vegada el 1995 en un gas de rubidi, per diversos equips de recerca internacionals. Aix?? s'aconsegu?? utilitzant un m??ser extern per provocar "transpar??ncia ??ptica" en el medi introduint i interferint destructivament transicions electr??niques fonamentals entre dos estats, de manera que s'anul??l??s la probabilitat d'absorci?? per als electrons fonamentals.

Els objectius actuals en la tecnologia i recerca del l??ser passen per obtenir noves freq????ncies d'emissi?? (especialment a freq????ncies petites, com el blau, el violat i fins i tot l'ultraviolat), aconseguir polsos ultracurts, obtenir pot??ncies m??s elevades, tant en r??gim polsat com continu, i millorar l'efici??ncia (??s a dir el quocient entre l'energia obtinguda i la subministrada a l'aparell).

[edita] Tipus de l??sers

Un l??ser d'He-Ne. El gas est?? contingut al cilindre central, per?? la resplendor ??s produ??da per la desc??rrega el??ctrica del bombeig, no ??s el feix l??ser, que ??s de color vermell i es pot veure sobre la pantalla blanca i sobre la lent.
Laboratori Kastler-Brossel. Universitat Par??s VI.

Actualment existeix una gran diversitat de tipus de l??sers, que es classifiquen b??sicament 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 pot??ncies o diferents graus de monocromaticitat, entre altres caracter??stiques. Els tipus m??s importants s??n els seg??ents:

• L??sers de gas: el medi actiu ??s un gas. Molt habituals, com el l??ser d'He-Ne o el d'arg??, presents en espectacles i discoteques. Tamb?? el l??ser de CO₂, que pot arribar a grans pot??ncies.
  • L??ser d'heli-ne?? (543 nm i 633 nm)
  • L??ser d'arg?? (458 nm, 488 nm o 514,5 nm)
  • L??ser de di??xid de carboni (9,6 ??m i 10,6 ??m) fins a 100 kW, utilitzat en soldadura i metal??l??rgia.
  • L??ser TEA (llum ultraviolada, 337,1 nm)
  • L??ser de nitrogen
  • L??ser de mon??xid de carboni, necessiten refrigeraci??, fins a 500 kW.

• L??sers qu??mics: el medi actiu es bombeja amb l'energia obtinguda de reaccions qu??miques.
  • L??ser de iodur d'oxigen (1.315 nm)
  • L??ser de fluorur d'hidrogen (2.700-2.900 nm)
  • L??ser de fluorur de deuteri (3.800 nm)

• L??sers d'estat s??lid: el medi actiu es un s??lid. El primer l??ser constru??t, el de rob??, era d'aquest tipus.
  • L??ser YAG dopat amb neodimi o Nd:YAG (1.064 nm, es pot doblar en freq????ncia per donar 532 nm)
  • L??sers dopat amb iterbi, com Yb:YAG, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:SYS, Yb:BOYS o Yb:CaF2 (al voltant de 1.020-1.050 nm) el Yb:YAG pot assolir altes pot??ncies en polsos ultracurts.
  • L??ser YAG dopat amb erbi (1.645 nm i 2.940 nm)
  • L??ser YAG dopat amb tuli (2.015 nm)
  • L??ser YAG dopat amb holmi (2.097 nm) molt usat en medicina.
  • L??ser de safir dopat amb titani o l??ser de Ti:safir, molt sintonitzable i usat en espectrosc??pia.
  • L??ser de fibra dopat amb erbi, a partir de fibres ??ptiques i usat en telecomunicacions.

• L??sers de semiconductor: utilitzen les transicions electr??niques en un d??ode semiconductor. S??n els m??s abundants, s'utilitzen en els lectors de CD i DVD, lectors de codis de barres, etc.
  • Diodes l??ser (entre 405 nm i 1.550 nm)
  • L??sers de cavitat externa.
  • VCSEL o l??sers d'emissi?? vertical, la tecnologia encara est?? en fase de desenvolupament.
  • VECSEL, VCSEL de cavitat externa
  • L??sers de cascada qu??ntica

• L??sers d'exc??mers: l??sers de gas que utilitzen mol??cules en estats excitats: F₂ (157 nm), ArF (193 nm), KrCl (222 nm), KrF (248 nm), XeCl (308 nm) i XeF (351 nm)

• L??sers de colorants: Utilitzen un colorant org??nic com a medi actiu, molt sintonitzables. Alguns s??n: Rodamina 6G, fluoresce??na, coumarina, estilb??, umbel??liferona, tetrac?? o verd de malaquita.

• L??sers d'electrons lliures: Utilitzen la radiaci?? de frenada (bremsstrahlung) dels electrons, confinats amb camps magn??tics.

Longituds d'ona (en micr??metres) de diferents tipus de l??sers.

[edita] Aplicacions dels l??sers

Vegeu l'article principal ??Aplicacions del l??ser??

En el moment de la seva invenci??, el 1960, els l??sers es consideraven ??una soluci?? que buscava un problema??. Des de llavors, s'han tornat omnipresents, trobant utilitat en milers d'aplicacions altament variades i en tots els ??mbits de la societat moderna, incloent-hi l'electr??nica de consum, la tecnologia de la informaci??, la recerca, la medicina, la ind??stria, l'aplicaci?? de la llei i les aplicacions militars. S'han considerat com un dels desenvolupaments tecnol??gics m??s influents del segle XX.

El 2004, excloent els l??sers de d??odes, a escala mundial es van vendre aproximadament 131.000 l??sers, amb un valor de 2.190 milions de d??lars (Kincade i Anderson, 2005). En el mateix any es van vendre uns 733 milions de l??sers de d??odes, valorats en 3.200 milions de d??lars (Steele, 2005).

Els beneficis dels l??sers en diverses aplicacions provenen de les seves propietats com la gran coher??ncia, l'alta monocromaticitat o la capacitat d'assolir pot??ncies extremadament altes. Per exemple, un raig l??ser altament coherent es pot focalitzar fins al seu l??mit de difracci??, que a longituds d'ona del visibles correspon a nom??s uns pocs centenars de nan??metres. Aquesta propietat permet que un l??ser enregistri gigabytes d'informaci?? en els orificis microsc??pics d'un DVD. Tamb?? permet que un l??ser de pot??ncia modesta es pugui focalitzar a intensitats molt altes i ser utilitzat per tallar, cremar o fins i tot vaporitzar materials. Per exemple, un l??ser de granat d'alumini i itri dopat amb neodimi (Nd:YAG) amb duplicaci?? de freq????ncia, que emet llum a 532 nm (verd) amb una pot??ncia de 10 W, ??s te??ricament capa?? d'aconseguir una intensitat de megavats per cent??metre quadrat.

Algunes de les aplicacions m??s habituals dels l??sers s??n:

• Lectura i gravaci?? en suports ??ptics digitals (CD, DVD, L??ser Disc, etc.)
• Lectura de codis (de barres, matricials, etc.)
• Mesura de dist??ncies (telemetria)
• Mesura de velocitats
• Medicina (cirurgia, oftalmologia, dermatologia)
• Tractament de materials (tall, soldadura, etc.)
• Impressi??: plaques ??fset, etc.
• Telecomunicacions per fibra ??ptica
• Caracteritzaci?? de materials
• Fusi?? nuclear
• Holografia
• Espectacles ??so i llum??
• Transmissi?? entre sat??l??lits
• Refredament de plasmes
• Espectrosc??pia l??ser

[edita] Classes de protecci??

Els l??sers es classifiquen a partir de la longitud d'ona i la pot??ncia m??xima en quatre classes i algunes subclasses des de la d??cada de 1970. Les classificacions tenien com a prop??sit categoritzar els l??sers d'acord amb la seva capacitat de causar danys a les persones exposades.

• Classe I: Te??ricament segur, dany ocular impossible. Aix?? es pot deure a la baixa pot??ncia (el dany ocular ??s impossible fins i tot despr??s d'hores d'exposici??) o b?? degut a un mecanisme que impedeix obrir el contenidor del l??ser sense abans apagar-lo autom??ticament (per exemple en reproductors de CD).

• Classe II: El parpelleig de l'ull hum?? com a acte reflex impedeix el dany ocular, a menys que la persona miri directament i deliberadament cap al feix lum??nic. La pot??ncia arriba a 1 mW. Aquesta classe ??s exclusiva per a l??sers de llum visible. Alguns punters l??ser pertanyen a aquesta categoria.

• Classe IIa: Una regi?? a la part de menys pot??ncia de la classe II, on el l??ser requereix 1000 segons d'exposici?? directa i cont??nua per a produir cremades a la retina. Els esc??nners de codis de barres presents als supermercats es classifiquen dins d'aquesta subclasse.

• Classe IIIa: Els l??sers pertanyents a aquesta classe s??n perillosos amb instruments ??ptics que modifiquin el di??metre del feix. Pot??ncia de 1 a 5 mW. Molts punters l??ser pertanyen a aquesta categoria.

• Classe IIIb: Poden causar danys si el feix entra directament a l'ull o si es reflecteix directament en direcci?? a l'ull. Aquesta consideraci?? ??s aplicable als l??sers amb pot??ncia entre 5 i 500 mW. El reflex dif??s no es considera perill??s i el l??ser normalment no pot iniciar un foc.

• Classe IV: Altament perillosos, fins i tot el fet de mirar indirectament el feix de llum pot causar danys oculars o a la pell. Els l??sers que pertanyen a aquesta classe tenen una pot??ncia superior als 500 mW o b?? produeixen pulsacions intenses de llum. Aquestes s'apliquen a l??sers per a tallar i a l??sers quir??rgics; poden causar danys fins i tot sense ser ampliats per l'??ptica de l'ull. Els reflexos difosos del feix de llum poden ser perillosos per a la pell i per als ulls.

Les pot??ncies de l??ser mencionades s??n valors t??pics; la classificaci?? tamb?? dep??n de l'amplitud d'ona i de si el l??ser ??s pulsatiu o continu. A m??s un l??ser de qualsevol pot??ncia es pot classificar com a ??Producte L??ser Classe I?? si la radiaci?? del l??ser no ??s accessible a trav??s de l'??s convencional.

En realitat, fins i tot els l??sers de baixa pot??ncia (amb nom??s uns pocs mil??livats de pot??ncia de sortida) poden ser perillosos per a la visi?? humana. A les longituds d'ona visibles, que la c??rnia i la lent poden focalitzar b??, la coher??ncia i poca diverg??ncia del l??ser impliquen que un feix l??ser pugui ser focalitzat per l'ull en un punt extremadament petit sobre la retina, provocant cremades localitzades i danys permanents en q??esti?? de segons, o fins i tot menys.

[edita] Refer??ncies

[edita] En catal??

• Orriols, Gaspar (2002). ??L??sers i fot??nica??, a F??sica de la quotidianitat, Caixa de Sabadell. ISBN 84-95166-42-9

[edita] En castell??

• Bova, B. (2004). Historia de la luz, Espasa Calpe. ISBN
• Tur, J.; Mart??nez, M. R. (1987). Tecnolog??a y pr??ctica del l??ser, Marcombo???Boixareu. ISBN

[edita] En angl??s

• Siegman, Anthony E. (1986). Lasers, University Science Books. ISBN 0-935702-11-3
• Sifvast, William T. (1996). Laser Fundamentals, Cambridge University Press. ISBN 0-521-55617-1
• Svelto, Orazio (1998). Principles of Lasers, 4a ed., Springer. ISBN 0-306-45748-2
• Townes, C. H. (1999). How the Laser Happened: Adventures of a Scientist, Oxford University Press. ISBN

[edita] Enlla??os externs

A Wikimedia Commons hi ha contingut multim??dia relatiu a: l??sers

• Sam's Laser FAQ, preguntes i respostes sobre el l??ser. (angl??s)
• Encyclopedia of laser physics and technology. (angl??s)
• Com funcionen els l??sers?. Explicaci?? divulgativa a How Stuff Works? (angl??s)
• Fundamentals of Light Sources and Lasers un curs introductori sobre l??sers. (angl??s)