Luz Laser

 

1.  LUZ LASER.

Mecanismo “especial” de emisión de luz. Combina la emisión estimulada y la

amplificación de la radiación (luz) emitida en una cavidad resonante. La sustancia activa tiene que poder alcanzar la inversión de población. 1.1  COMPONENTES BASICOS.

• sustancia activa: sólido / líquido / gas / plasma • mecanismo de aporte energético (o sistema de bombeo): depende de la

sustancia activa. Puede ser óptico, eléctrico, químico, …   • cavidad resonante: compuesta por 2 espejos alineados, uno totalmente

reflectante (99.9%) y el otro semitransparente (refleja 95-97%). La SA está contenida en su interior.

FIGURA 1. OPERACIÓN BASICA DEL LASER. 1.2  CARACTERISTICAS DE LA LUZ EMITIDA.

• monocromática: la emisión de radiación corresponde (casi totalmente) a una

única transición energética, por lo que el ancho de banda (de longitudes de onda) es muy pequeño, hasta ∆λ/λ ≤ 10-15 • colimada: únicamente se amplifica la luz emitida en la dirección del eje de la   cavidad resonante, por lo cual la emisió n tiene una divergencia angular (θ, en μrad) muy pequeña (debida, principalmente, a efectos de difracción y defectos

de paralelismo entre los espejos). La sección del haz emitido puede ser muy pequeña por lo que la irradiancia puede ser muy alta. • coherente: en cada punto de la SA (y en cada instante) la emisión es estimulada por lo que hay una relación de fase entre la emisión de diferentes puntos / en otro instante): coherencia espacial / temporal.

 

  1.3  CAVIDAD RESONANTE.

La radiación se confina en forma de ondas estacionarias, y se va amplificando por emisión estimulada en cada ciclo de recorrido hasta que alcanza suficiente energía para vencer al espejo semitransparente = emisión de un pulso láser. La geometría de la cavidad es muy importante porque afecta a su estabilidad y a la ganancia (y, por tanto, a la amplificación alcanzable). Independientemente de la cavidad y del modo de funcionamiento, el área (A) de la sección transversal del haz emitido determina su densidad de energía / potencia por unidad de superficie.

FIGURA 2. CARACTERISTICAS DE LA EMISION DE LUZ LASER. 2.  TIPOS DE LUZ LASER.

 

2.1 LASER DE MEDIO SODICO.

Primer láser operativo (T. Mainman, 1960). La SA es un sólido cristalino. Como sus átomos/moléculas están en las posiciones de una red cristalina, los niveles de energía son líneas discretas y la emisión es muy monocromática. El SB es la luz emitida por una lámpara cuyo espectro de emisión contiene, justamente, las λ requeridas para excitar a la SA. El SB es “bombeo óptico”: una lámpara flash

(estroboscópica) cuya frecuencia e intensidad de destellos determina las características de la luz láser emitida. Emiten en modo pulsado y pueden conseguirse niveles de energía muy altos, con pulsos del orden o rden de 5J y potencias ~ 1012 W. Pueden ser de pequeño tamaño. Se usan en aplicaciones industriales (corte, soldadura, …). El más conocido es el “láser de rubí” en el que la SA es una

varilla de rubí (óxido de aluminio dopado con cromo) y el SB es una lámpara de xenon. Emite una λ = 694.3 nm. Otro muy usado es el de Nd:YAG, con λ ~ 1064

nm.

 

 

FIGURA 3. ESQUEMA DEL LASER DE MEDIO SODICO. 2.2  LASER DE GAS.

La SA es una mezcla de gases. El SB es un campo eléctrico creado por una diferencia de potencial (fuente de alta tensión) entre electrodos en los extremos del tubo que contiene a la SA. Los iones (o electrones) de uno de los componentes de la mezcla se aceleran hasta alcanzar la energía cinética necesaria para excitar (por colisiones inelásticas) a las moléculas del otro componente. Emiten un haz cilíndrico, en modo CW, con potencias bajasmedias (hasta kW). Diferentes mezclas de gases producen la emisión en diferentes λ. Requieren el recipiente de con tención del gas a presión. El más conocido es el de He-Ne (proporción 7:1, presión ~ 1 torr) que emite λ ~ 632.8 nm. Otros son de vapor de Cd, Ar, CO2 (alta potencia). Muy utilizados en análisis químico / ambiental, sistemas médicos, lectores de códigos de barras, usos industriales.

FIGURA 4. CARACTERISTICAS DEL LASER DE GAS

 

2.3  LASER SEMICONDUCTOR.

La SA es la región de unión de una pareja de capas de semiconductor p-n. El SB es una densidad volumétrica de corriente que atraviesa a la SA. Puede conseguirse que esta densidad sea alta con intensidades de corrientes pequeñas (como las de una pila botón) si el volumen del semiconductor es muy pequeño, por lo cual estos láseres son de tamaño muy reducido. Como el diagrama de niveles es de bandas, son menos monocromáticos que los otros tipos. Emiten en modo CW o pulsado, energías ~ 30 mJ/pulso, con ancho de pulso ~100 ns y potencia ~ 50 W. Son muy fácilmente modulables, hasta 1012 Hz. Habitualmente utilizados para transmisión de datos y en sistemas médicos. La cavidad resonante se forma recubriendo con material reflectante las paredes del semiconductor por lo que el haz emitido tiene sección aproximadamente rectangular y una divergencia angular mayor que los otros tipos de láser, ~20 μrad. Suele añadirse un elemento óptico de colimación del haz emitido. No confundir con diodo LED. El más conocido es el de GaAs que emite λ ~ 690 / 870

nm, muy adecuado para transmisión por fibra óptica. Otros emiten en el IR.

FIGURA 5. CARACTERISTICAS DE LA LUZ LASER POR SEMICONDUCTORES.

3.  CARACTERISTICAS DE LAS LAMPARAS CON PROYECCION LASER.

Las lamparas con proyección laser son ampliamente estudiadas sobre todo para su uso en lamparas vehiculares.

 

Durante los últimos años, la incorporación de tecnologías en el sector automovilístico se ha consolidado como una tendencia que no parece tener techo. Los coches cada vez están más y mejor conectados, los sistemas de seguridad de última generación han llegado para quedarse y la conducción autónoma avanza a pasos agigantados. Como es lógico, un aspecto tan básico y clave para la seguridad como lo es la iluminación exterior de nuestros vehículos no se ha quedado a un lado en este sentido. Pero, ¿en qué se diferencia un faro halógeno de un xénon, uno equipado co con n LED o un láser? ¿Qué tenemos que tener en cuenta a la hora de escoger el sistema de iluminación más adecuado para nuestro vehículo? En función del tipo de lámpara que equipe nuestro vehículo, factores como el rendimiento, la vida útil, el precio o la complejidad de su reparación en caso de avería variarán ostensiblemente. Pasamos a analizar las diferentes opciones más instauradas en el mundo del automóvil, así como las principales ventajas e inconvenientes que presenta cada una.

FIGURA 6. ANGULO DE ILUMINACION DE LA LAMPARA LAZER. FIGURA 6. ALCANCE DE LA LUZ LASER EN COMPARACION CON LAS LAMPARAS LED, EN FAROS PARA AUTOS.

3.1  CARACTERISTICAS OPERATIVAS, LAMPARA LAZER MARCA AUDI.

VOLTAJE

 

POTENCIA

POTENCIA

ELECTRICA

ELECTRICA

ANGULO

5V

25 W

2500 L UM

30°

12V

50 W

6000 L UM

40°

 

 

FIGURA 7. ALCANCE DE LAS LAMPARAS CON PROJECCION LASER.