William Moebs; Samuel J. Ling; Jeff Sanny

Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, podrá:

Describir los procesos físicos necesarios para producir luz láser.
Explicar la diferencia entre luz coherente e incoherente.
Describir la aplicación del láser a un reproductor de CD y Blu-Ray.

Un láser es un dispositivo que emite luz coherente y monocromática. La luz es coherente si los fotones que la componen están en fase, y monocromática si los fotones tienen una sola frecuencia (color). Cuando un gas del láser absorbe la radiación, los electrones se elevan a diferentes niveles de energía. La mayoría de los electrones regresan inmediatamente al estado fundamental, pero otros permanecen en lo que se denomina estado metaestable. Es posible colocar una mayoría de estos átomos en un estado metaestable, una condición llamada inversión de población.

Cuando un fotón de energía perturba a un electrón en un estado metaestable (Figura 8.28), el electrón desciende al nivel de energía más bajo y emite un fotón adicional, y los dos fotones salen juntos. Este proceso se denomina emisión estimulada. Se produce con una probabilidad relativamente alta cuando la energía del fotón entrante es igual a la diferencia de energía entre los niveles de energía excitados y "desexcitados" del electrón ( $Δ E = h f$ ). Por lo tanto, el fotón entrante y el fotón producido por la "desexcitación" tienen la misma energía, hf. Estos fotones encuentran más electrones en el estado metaestable, y el proceso se repite. El resultado es una cascada o reacción en cadena de desexcitaciones similares. La luz láser es coherente porque todas las ondas luminosas de la luz láser comparten la misma frecuencia (color) y la misma fase (dos puntos cualesquiera a lo largo de una línea perpendicular a la dirección del movimiento están en la "misma parte" de la onda"). Un diagrama esquemático del patrón de ondas de luz coherente e incoherente se presenta en la Figura 8.29.

Ilustración de la amplificación de la luz en un láser. Se muestran dos niveles de energía en forma de líneas punteadas, uno sobre el otro en tres momentos diferentes. Los electrones se encuentran en el estado superior, que es un estado metaestable, y pasan al estado inferior. Llega una onda luminosa con energía h f que hace que el electrón caiga al estado inferior. Más electrones en el estado metaestable emiten y absorben dos fotones idénticos y en fase de energía h f. Estos electrones caen al estado inferior y emiten cuatro fotones idénticos, en fase, de energía h f, que son absorbidos por el tercer conjunto de electrones. Los electrones pasan al estado inferior y emiten ocho fotones idénticos, en fase, de energía h f.

Figura 8.28 La física de un láser. Un fotón incidente de frecuencia f provoca una cascada de fotones de la misma frecuencia.

Una ilustración del patrón de onda de luz coherente y del patrón de onda de luz incoherente. La luz coherente está formada por ondas de la misma longitud de onda, fase y amplitud, de modo que todas las crestas están alineadas y todas las depresiones también. La luz incoherente está formada por ondas de diferentes longitudes de onda, fases y amplitudes, lo que da lugar a la superposición de crestas y valles de diferentes ondas.

Figura 8.29 Un patrón de ondas de luz coherente contiene ondas de luz de la misma frecuencia y fase. Un patrón de ondas de luz incoherente contiene ondas de luz de diferentes frecuencias y fases.

Los láseres se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, como en la comunicación (líneas telefónicas de fibra óptica), el entretenimiento (espectáculos de luz láser), la medicina (eliminación de tumores y cauterización de vasos en la retina) y en los comercios minoristas (lectores de códigos de barras). Los láseres también pueden ser producidos por una gran variedad de materiales, incluyendo sólidos (por ejemplo, el cristal de rubí), gases (mezcla de helio y gas) y líquidos (tintes orgánicos). Recientemente, incluso se ha creado un láser con gelatina: ¡un láser comestible! A continuación, analizamos en detalle dos aplicaciones prácticas: Reproductores de CD y Blu-Ray.

Reproductor de CD

Un reproductor de CD lee la información digital almacenada en un disco compacto (CD). Un CD es un disco de plástico de 6 pulgadas de diámetro que contiene pequeñas "protuberancias" y "fosas" cerca de su superficie para codificar datos digitales o binarios (Figura 8.30). Las protuberancias y fosas aparecen a lo largo de una pista muy fina que sale en espiral desde el centro del disco. El ancho de la pista es inferior a la 1/20ª parte del ancho de un cabello humano, y la altura de las protuberancias es aún más pequeña.

Una ilustración de los detalles de un disco compacto. Un rayo láser golpea el disco desde abajo en ángulo recto. El disco consta de tres capas. La capa inferior es una capa de plástico de policarbonato con fosas y protuberancias alternas. Se deposita una fina capa de aluminio sobre la capa de plástico. Una capa de laca cubre el disco, rellenando las protuberancias y las hendiduras y formando una superficie superior lisa. El disco completo, incluyendo las tres capas, tiene un grosor de 1,2 mm.

Figura 8.30 Un disco compacto es un disco de plástico que utiliza protuberancias cerca de su superficie para codificar la información digital. La superficie del disco contiene múltiples capas, entre ellas una de aluminio y otra de plástico de policarbonato.

Un reproductor de CD utiliza un láser para leer esta información digital. La luz láser es adecuada para este propósito, porque la luz coherente puede enfocarse en un punto increíblemente pequeño y, por lo tanto, distinguir entre las protuberancias y fosas del CD. Tras el procesamiento por parte de los componentes del reproductor (incluyendo una rejilla de difracción, un polarizador y un colimador), la luz láser se enfoca mediante una lente sobre la superficie del CD. La luz que incide en una protuberancia ("tierra") se refleja simplemente, pero la luz que incide en un "foso" interfiere de forma destructiva, por lo que no vuelve la luz (los detalles de este proceso no son importantes para esta discusión). La luz reflejada se interpreta como un "1" y la no reflejada como un "0" La señal digital resultante se convierte en una señal analógica, y la señal analógica se introduce en un amplificador que alimenta un dispositivo como un par de auriculares. El sistema láser de un reproductor de CD se muestra en la Figura 8.31.

Una fotografía del funcionamiento interno de un reproductor de CD

Figura 8.31 Un reproductor de CD y su componente láser.

Reproductor de Blu-Ray

Al igual que un reproductor de CD, un reproductor de Blu-Ray lee la información digital (vídeo o audio) almacenada en un disco y utiliza un láser para grabar esta información. Las fosas de un disco Blu-Ray son mucho más pequeñas y están más juntas que las de un CD, por lo que se puede almacenar mucha más información. En consecuencia, la potencia de resolución del láser debe ser mayor. Esto se consigue utilizando una luz láser azul de longitud de onda corta $(λ = 405 nm)$ , de ahí el nombre de "Blu-Ray". (Los CD y DVD utilizan luz láser roja). Los diferentes tamaños de las fosas y configuraciones de hardware de un reproductor de CD, DVD y Blu-Ray se muestran en la Figura 8.32. Las fosas de un disco Blu-Ray son más del doble de pequeñas que las de un DVD o un CD. A diferencia de un CD, un disco Blu-Ray almacena los datos en una capa de policarbonato, que sitúa los datos más cerca de la lente y evita problemas de legibilidad. Se utiliza un revestimiento duro para proteger los datos al estar tan cerca de la superficie.

Se ilustran los diferentes tamaños de las fosas y las configuraciones de hardware de un reproductor de CD, DVD y Blu-Ray. En cada caso, las fosas son más pequeñas que el tamaño del punto realizado por el rayo láser en la superficie del medio de almacenamiento. A la izquierda, se muestra el reproductor de CD, con una capacidad de almacenamiento de 0,7 GB. El láser CD tiene una longitud de onda lambda igual a 780 nanómetros, que corresponde a un color rojo. Se enfoca mediante una lente, penetrando en el material del CD a una profundidad de 1,2 mm y formando un punto relativamente grande en la superficie del CD. En el centro, se muestra el reproductor de DVD, con 4,7 GB de capacidad de almacenamiento. El láser del DVD tiene una longitud de onda lambda igual a 650 nanómetros, que corresponde a un color rojizo-anaranjado. Se enfoca mediante una lente, penetrando en el material del DVD a una profundidad de 0,6 mm y formando un punto más pequeño en la superficie del DVD que el que vimos en el CD. A la derecha, se muestra el reproductor de Blue-Ray, con 25 GB de capacidad de almacenamiento. El láser del Blu-Ray tiene una longitud de onda lambda igual a 405 nanómetros, que corresponde a un color azul. Se enfoca mediante una lente, penetrando en el material del disco Blu-Ray hasta una profundidad de 0,1 mm y formando un pequeño punto en la superficie del disco.

Figura 8.32 Comparación de la resolución láser en un reproductor de CD, DVD y Blu-Ray.

8.6 Láseres

Reproductor de CD

Reproductor de Blu-Ray