|
Des dels lectors de DVD a les llums dels concerts, els làsers formen part de moltes situacions de la nostra vida. Però, què és un raig làser? És una llum tan especial que no existeix res semblant a la natura.
Una llum...
... alineada
Si encenem una llanterna, es forma un con de llum. Al contrari, si encenem un puntador làser, es forma un feix perfectament alineat, que manté la seva forma cilíndrica al llarg de centenars de metres, sense allargar-se. Per això el làser es fa servir
- per comprovar que les parets (o superfícies) són perfectament verticals (o horitzontals)
- per apuntar amb armes de caça i de guerra, i en telescopis
... monocromàtica
La llum del làser és perfectament monocromàtica, per això és ideal
- per fer raigs de llum de colors intensos en els concerts
... intensa
L’energia d’un raig làser es pot enfocar en un punt petit per produir una gran potència. Per aquesta raó el làser és una eina ideal per tallar, cremar i soldar. Per exemple, es fa servir
- per operar la miopia, les pigues o la pèrdua de color de la pell
- per tallar metalls i vidres en la indústria
... sutil
Els làsers es poden fabricar de manera que la llum surti d’un punt molt petit. Aquesta propietat és útil
- per llegir la informació registrada en un DVD. La informació està codificada en microsolcs en la superfície del disc i el raig làser és prou subtil per detectar-los.
... precisa
Les característiques del làser fan que sigui una eina ideal per fer mesures de precisió. Per exemple
- per mesurar la velocitat dels cotxes i comprovar si sobrepassen els límits. Això s’assoleix enviant un raig làser contra un cotxe i mesurant la freqüència del raig reflectit. Aquesta està relacionada amb la velocitat del cotxe.
- per comprovar que les esferes dels coixinets de boles són perfectament esfèriques, observant la dispersió de la llum làser reflectida per la bola.
- en impressores làser i lectors de codis de barres.
... transportable
Les condicions atmosfèriques, com ara pluja, boira, núvols i les barreres físiques poden afectar la propagació de la llum làser. Tanmateix, avui en dia un raig làser pot viatjar per distàncies quilomètriques. Es fa servir
- en les telecomunicacions, des d’Internet fins a les comunicacions telefòniques. Per assolir aquest objectiu s’utilitzen les fibres òptiques, cables capaços de transportar la llum pel seu interior.
Què és un làser?
La paraula làser és l’acrònim de “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (amplificació de la llum mitjançant l’emissió estimulada de radiació).
La definició i les característiques poden semblar molt abstractes, però s’entenen bé després d’haver comprès com funciona un làser.
La llum làser té les següents característiques:
|
|
- “Monocromàtica”: la llum làser no és una barreja de colors. Al contrari, és d’un únic color. Això vol dir que les ones que la composen tenen totes la mateixa freqüència.
- “Coherent”: les ones de llum d’un làser s’assemblen a una “ona d’estadi”. Quan un membre d’una filera de cadires s’aixeca, tots el membres corresponents de les altres fileres s’aixequen. Al contrari, quan està assegut, tots els membres corresponents estan asseguts. Les ones d’un làser oscil·len “en fase”: quan un ona puja, totes les altres pugen simultàniament, i el mateix quan baixa.
- “Alineada”: totes les ones d’un làser viatgen en la mateixa direcció, exactament paral·leles les unes a les altres.
|
Com funciona un làser?
La llum natural
El secret de la llum s’amaga a l’interior dels àtoms. Quan la llum il·lumina un objecte, transfereix energia als electrons dels seus àtoms o (dit d’una altra manera) “excita” els electrons. Immediatament, els electrons excitats deixen anar aquesta energia que assumeix novament la forma de llum emesa per l’objecte. És aquesta llum la que arriba als nostres ulls i ens permet veure l’objecte. El color de la llum depèn de l’energia emesa pels àtoms. Diferents energies es corresponen a ones de llum amb diferents freqüències, que els ulls perceben com a diferents colors.
La llum es pot imaginar com un conjunt d’ones, però també com un conjunt de partícules, els fotons. Des d’aquest punt de vista, l’emissió de llum es pot descriure així: quan un fotó xoca amb un àtom és “absorbit” per l’àtom, el qual, com a conseqüència, s’excita; per altra banda, quan l’àtom es desexcita, torna a emetre un fotó. La freqüència de l’ona (és a dir, el color de la llum) està relacionada amb l’energia del fotó.
|
Del Sol a la bombetaLes fonts de llum funcionen d’aquesta mateixa manera. Per exemple, un tub de neó conté àtoms d’aquest gas que s’exciten mitjançant uns flaixos elèctrics (les descàrregues que es perceben quan encenem un neó). La llum del Sol és el resultat de les nombroses reaccions nuclears que involucren els àtoms que el constitueixen.
Normalment, les fonts de llum emeten una barreja de diferents freqüències.
|
|
|
Per exemple, la llum blanca del Sol és en realitat la suma d’un gran nombre de colors, com es pot veure fent-la passar per un prisma. A més, les fonts de llum solen emetre ones en moltes direccions diferents. Per això quan encenem un bombeta s’il·lumina tota l’habitació. Finalment, els àtoms no es desexciten tots al mateix temps. Llavors, les ones emeses no tenen totes la mateixa “fase”: és a dir, no oscil·len de manera sincronitzada.
“Emissió estimulada”
A començaments del segle XX, el físic Albert Einstein va descobrir una important propietat dels àtoms excitats. Si un fotó amb l’energia “correcta” xoca amb un àtom que ja està excitat, aquest no absorbeix el fotó, sinó que es desexcita immediatament i emet un altre fotó idèntic al primer. Aquest procés es diu “emissió estimulada”.
En termes d’ones, allò que passa és que una ona amb la freqüència “correcta” interacciona amb un àtom i en surt amplificada. L’ona final és la suma de dues ones absolutament idèntiques: amb la mateixa freqüència, direcció i fase.
“Inversió de població”
L’emissió estimulada és un procés profitós: es comença amb un fotó i s’acaba amb dos. Si cadascun d’aquests dos fotons trobés al seu entorn un àtom excitat, al segon pas s’obtindrien 4 fotons. Si els fotons es trobessin en un ambient amb molts àtoms excitats, al cap d’uns quants xocs el nombre de fotons idèntics es multiplicaria enormement. El problema és: com obtenir un conjunt d’àtoms excitats? Aquest objectiu s’aconsegueix amb un procés anomenat “inversió de població”. Consisteix en injectar energia en un conjunt d’àtoms de manera que la població d’electrons, que es troba a l’estat d’energia mínima, “salti” de cop a l’estat excitat (“inverteixi” el seu estat energètic). Aquest resultat s’obté a la pràctica posant els àtoms en un contenidor cilíndric i envoltant-los d’un tub en espiral que emet un flaix de llum.
|
“Cavitat làser”
Després d’haver induït la inversió de població en un tub ple d’àtoms, només cal injectar un fotó per produir l’emissió estimulada. Tanmateix, una bona part dels fotons produïts s’escapen ràpidament del contenidor i no s’arriba mai a un conjunt de fotons idèntics prou gran. Per assolir aquest objectiu es posen dos miralls a les extremitats del tub.
D’aquesta manera, s’obté una “cavitat làser”: els fotons queden
atrapats i
comencen a rebotar en el tub, produint nous
fotons idèntics cada vegada quexoquen amb àtoms excitats.
|
|
|
Perquè un raig làser pugui
sortir de la cavitat, un dels dos miralls que es fa servir és
“semireflectant”. És a dir, deixa escapar alguns dels fotons: aquests
constitueixen el raig làser.
|
Funcionament pas a pasUn làser vermell conté un cristall de robí allargat embolcallat per un tub en espiral semblant a un fluorescent que emet flaixos de llum, com una càmera de fotos.
Fes clic sobre la imatge per ampliar-la.
- Una font d’alt voltatge fa que el tub en espiral emeti els flaixos de llum.
- Cada vegada que es produeix un flaix de llum, el cristall de robí absorbeix energia en forma de fotons. .
- Quan els àtoms del cristall de robí absorbeixen un fotó d’energia, un dels seus electrons salta a un nivell d’energia superior. Això situa l’àtom en un estat excitat que és inestable: l’electró només roman en el nivell d’energia superior durant uns milisegons i torna a caure al seu nivell original. En fer-ho, allibera l’energia absorbida en forma d’un nou fotó. Aquest procés s’anomena emissió espontània.
- Els fotons alliberats pels àtoms del robí viatgen a la velocitat de la llum d’una banda a l’altra del cristall.
- Freqüentment, algun d’aquests fotons xoca amb un àtom que ja es troba en estat excitat. Quan això passa, l’àtom allibera dos fotons en comptes d’un. Això s’anomena “emissió estimulada”. Ara, de cada fotó de llum en sorgeixen dos, de manera que la llum s’amplifica (augmenta la seva intensitat).
- Un mirall reflectant al 100% situat a l’extrem del cristall fa rebotar els fotons perquè no s’escapin.
- A mirall parcial (reflectant al 95%) a l’altre extrem del tub fa rebotar la major part dels fotons, però permet que n’escapin alguns.
- Els fotons que escapen formen un raig de llum molt concentrat: el raig làser.
Qui va inventar el làser?
El làser es va inventar gairebé per casualitat. Per això, algú va dir que es tractava "d'una solució a l'espera d'un problema".
|
|
Charles H. Townes.
|
- El 1958, Arthur L. Schawlow i Charles H. Townes, dels laboratoris Bell, a New Jersey, publiquen un treball teòric sobre el funcionament del làser.
- El 1960, Theodore H. Maiman, dels Laboratori Hughes, a Califòrnia, fabrica el primer làser funcionant, utilitzant els àtoms d’un cristall de robí.
- El 1964, Kumar Patel, del Laboratoris Bell, inventa el làser de diòxid de carboni, que permet les primeres operacions de cirurgia amb làser.
- A començament dels anys 70, es desenvolupa la tecnologia de les fibres òptiques, que permeten que el làser suplanti l’electrònica en bona part de les telecomunicacions.
|
|
