i làser | enciclopèdia.cat

OBRES

OBRES

Divulgació científica
Estadístiques
Gran enciclopèdia catalana

làser

substantiu masculím
Física
Un làser de CO2 emprat per a realitzar un tall continu de precisió en una planxa metàl·lica
© Fototeca.cat
física fís
Dispositiu que genera llum coherent, quasi monocromàtica i altament direccional, en el domini espectral que va de les ones submil·limètriques als raigs X.

L'efecte làser, en què es fonamenta el funcionament d’aquests dispositius, consisteix essencialment en el fenomen anomenat emissió estimulada, que també és la base del màser. Pel fet que fou desenvolupat primerament el màser i que ambdós dispositius es basen en el mateix fenomen hom anomenà originàriament màser òptic el làser.

Recreació del funcionament d'un làser

L’emissió estimulada fou estudiada inicialment per Einstein el 1917, i les possibilitats de la seva aplicació a l’amplificació d’ones ultracurtes (màser) fou establerta per C.H. Townes el 1951 i confirmada experimentalment el 1954; la possibilitat d’aplicar el mateix fenomen a l’amplificació d’ones lluminoses fou mostrada el 1958 pel mateix Townes i per A.L. Schawlow, i el primer làser fou construït per T.H. Maiman el 1960.

Esquema de funcionament d’un làser. En el dibuix superior són indicats els dos nivells d’energia del medi actiu entre els quals s’esdevé la transició radioactiva, i són indicades mitjançant fletxes les transicions del nivell de menor energia al nivell excitat, assolides després que l’energia del bombatge exciti el sistema fins assolir la inversió de població; en el dibuix inferior es mostra com una ona, generada en l’emissió estimulada, va amplificant-se, a mesura que es reflecteix en els miralls dels extrems de la cavitat ressonant, i va rebent les contribucions degudes a totes les transicions al nivell no excitat. El flaix forneix l’energia necessària per al bombatge, i el mirall semitransparent actua com obturador, permeten el pas del raig quan la intensitat és suficient
© Fototeca.cat
El fenomen de l'emissió estimulada consisteix en el següent. La mecànica quàntica indica que un àtom o una molècula té diferents estats d’energia, entre els quals pot experimentar transicions. Si l’àtom (o la molècula) absorbeix un fotó d’energia E = E2-E1, igual a la diferència d’energies entre dos nivells d’energies respectives E1 i E2, aleshores l’àtom (o la molècula) passa de l’estat E1 a l'estat excitat E2. La tendència a l’estabilitat, inherent als constituents de la matèria, fa que l’àtom (o la molècula) decaigui espontàniament de l’estat excitat E2 a l’estat E1 tot emetent un fotó de freqüència ν = (E2-E1)/h, on h és la constant de Planck. Si bé aquests processos d'absorció i d'emissió de fotons són els que experimenten normalment els constituents de la matèria, hi ha un tercer tipus de transició entre els nivells energètics, que és l’emissió estimulada. Aquesta consisteix en el fet que, si hom aconsegueix (encara que sigui durant un brevíssim instant) que el nombre d’àtoms (o de molècules) que són al nivell excitat E2 (és a dir, la població del nivell excitat) sigui superior al nombre que és en l’estat d’energia menor E1, és a dir, si hom aconsegueix de realitzar la inversió de població entre aquests dos nivells, aleshores la presència d’un fotó d’energia E = E2-E1 no implica que aquest sigui absorbit, sinó que estimula la transició de tots els electrons des del nivell E2 al nivell E1 i, per tant, produeix una emissió d’un gran nombre de fotons, exactament amb la mateixa energia que el fotó estimulador. Si el procés és realitzat en unes determinades circumstàncies, aquests fotons s’acumulen tot formant una ona electromagnètica en fase amb l’ona estimuladora (és a dir un feix de llum coherent); el resultat és, doncs, l'amplificació d’aquesta última. De tot això resulta que els elements bàsics d’un dispositiu làser són els següents: un medi actiu, els àtoms o molècules del qual han de tenir uns nivells d’energia adients i selectivament poblables (és a dir, tals que les diferències d’energia entre els nivells siguin les convenients per a obtenir-ne fotons d’una determinada energia o, el que és el mateix, llum d’una determinada freqüència, i que sigui possible d’excitar el medi fins a assolir la inversió de població); un procediment de bombatge, que permeti l’excitació del medi actiu fins a assolir la inversió de població entre dos nivells seleccionats; i una cavitat ressonant, que conté el medi actiu, en la qual l’ona produïda per l’emissió estimulada va acumulant-se fins a esdevenir prou intensa (els extrems de la cavitat són, generalment, miralls, un d’ells semitransparent a fi d’actuar a manera d’obturador selectiu que transmeti el raig un cop assolida l’amplificació suficient).

Les característiques que fan tan interessant el làser deriven de la coherència i monocromaticitat de la llum que el compon; permeten de concentrar energia en un feix molt estret i, en focalitzar aquest, d’aplicar una gran quantitat d’energia per unitat de superfície. D’aquesta propietat resulten les principals aplicacions dels làsers: soldadura i fusió en indústria mecànica; determinació precisa de distàncies en telemetria i metrologia; analitzadors cromàtics, impressores làser i lectores de codis de barres en arts gràfiques; transmissió de dades per fibra òptica en telecomunicacions; concentració d’energia en petites superfícies en medicina (oftalmologia i gastroenterologia); aplicacions en física teòrica i física dels plasmes; generació d’altes temperatures en dispositius de fusió nuclear; holografia; aplicacions en espectacles; aplicacions militars (armes làser), etc.

Esquema d’un làser de robí
© Fototeca.cat
Hom ha desenvolupat un gran nombre de làsers; hom els podria classificar segons el medi actiu (sòlid [aïllant o semiconductor], líquid o gasós), segons el procediment de bombatge emprat (flaixos de llum, descàrregues elèctriques, energia subministrada per una reacció química), o segons el mode de funcionament (impulsional o a impulsos, continu, “sintonitzable”, etc). El làser de robí empra com a medi actiu una vareta de robí artificial (Al2O3), que conté un 0,05% de l’ió Cr3+ del crom; produeix una emissió de llum vermella (694,3 nm). El làser de neodimi (o làser Nd) empra com a medi actiu un material amorf (vidre) dopat amb ions Nd3+ del neodimi; emet (en mode impulsional) en l’infraroig proper (1 060 nm). El làser YAG (yttrium aluminium garnett) (o làser Nd-YAG) empra un cristall mescla d’itri i neodimi; emet (en mode continu) en la mateixa longitud d’ona que el làser de neodimi. El més corrent dels làsers de gas és el làser d’heli i neó (o làser He-Ne), que emet llum vermella (632,8 nm). Els làsers iònics empren com a medi actiu un gas ionitzat; els més corrents són el làser d’argó, que emet llum blau verda (en diferents longituds d’ona: 488 nm, 496,5 nm o 514,5 nm) i el làser de criptó. El làser de gas carbònic (o làser CO2) és el més eficient i potent dels làsers de gas; emet en l’infraroig (10,6 μm o 9,6 μm). Hi ha també làsers de N, H2O, CO i HCN. Els làsers químics, de fluorur d’hidrogen (làser HF) o de fluorur de deuteri (làser DF), forneixen les potències més grans assolides fins ara. Altres tipus de làsers són el làser de vapors metàl·lics, el làser de iode, el làser de colorants (el medi actiu del qual és constituït per molècules orgàniques en una solució líquida, i que presenta l’avantatge d’ésser “sintonitzable”, és a dir, que hom pot seleccionar la longitud d’ona emesa, per la qual cosa hom l’anomena làser sintonitzable), el làser de semiconductors i el làser d’electrons lliures. També s’ha aconseguit la fabricació de làsers que utilitzen un únic àtom per a produir l’emissió estimulada, i s’han proposat làsers d’ADN.La manipulació de raigs làser exigeix de prendre precaucions a fi d’evitar lesions, principalment a la vista.

El 2011 dos biofísics del Massachusetts General Hospital (EUA) aconseguiren que un cultiu de cèl·lules embrionàries de ronyó modificades genèticament per produir proteïna de fluorescència verda dins d’una cavitat amb dos miralls encarats emetessin llum coherent intensa, quasi monocromàtica (verda) i altament direccional en ser excitades per llum blava. D’aquesta manera constituïren el primer làser fet a partir de matèria viva.

El terme prové de la forma catalanitzada de l’acrònim de light amplification by stimulated emission of radiation.

Col·laboració: 
ACS
Llegir més...