Conceptos de la teoría del Laser

Que es la comunicación Óptica

La comunicación óptica es cualquier forma de comunicación que utiliza la luz como medio de transmisión.

Un sistema óptico de comunicación consiste de un transmisor que codifica el mensaje dentro de una señal óptica, un canal, que transporta la señal a su destino, y un receptor, que reproduce el mensaje desde la señal óptica recibida.

La fibra óptica es el medio moderno más común para la comunicación óptica digital y son utilizados en una gran variedad de aplicaciones.

Conceptos de la Teoría del Láser 

Un láser (de la sigla inglesa light amplification by stimulated emission of radiation, amplificación de luz por emisión estimulada de radiación) es un dispositivo que utiliza un efecto de la mecánica cuántica, la emisión inducida o estimulada, para generar un haz de luz coherente de un medio adecuado y con el tamaño, la forma y la pureza controlados.
La fibra óptica es el medio de comunicación más utilizada hoy en día; es la forma de transmisión de datos más utilizado, los transmisores de fibra óptica son generalmente LEDs o diodos Láser. La luz Infrarroja es la más utilizada en estas redes, ya que se transmite con menor atenuación y dispersión. Para codificar la señal se utiliza comúnmente modulación de la intensidad.

Los láser tiene muchas aplicaciones importantes tales son como reproductores de DVD , impresoras láser y escáneres de código de barras, Se utilizan en la medicina para la cirugía con láser y diversos tratamientos de la piel, y en la industria para el corte y soldadura de materiales, en los medios de comunicación y en la actualidad también como arma laser por el gobiernos de los Estados Unidos.
Los Láser se distinguen de otros fuentes de luz ya que su forma de transmisión es por medio de un Haz estrecho que es de difracción Limitada a menudo denominado “haz de Lápiz“.

El método de difracción limitada utiliza el principio de Haz Gaussiana que es un modo electromagnético transversal (TEM), Una forma de expresarlo matemáticamente es:

• Emision Estimulada

Para comprender el funcionamiento del láser hay que entender cómo se produce este haz de luz a nivel atómico.

Cuando un electrón se encuentra en un nivel de energía elevado, tiende a caer espontáneamente a un nivel de energía inferior con la subsiguiente emisión de luz. Esto es lo que se llama emisión espontánea y es la responsable de la mayor parte de la luz que vemos. Por otro lado, un fotón puede estimular la caída de un electrón a un nivel inferior si tiene una energía igual a la diferencia entre los dos niveles, en ese caso se emitirá un segundo fotón idéntico al que ha inducido la transición. Esta es la llamada emisión estimulada. El proceso contrario, aquel en el que el fotón se absorbe induciendo la subida de un electrón a un nivel de energía superior, se llama absorción estimulada.

Características de la oscilación Láser

Las condiciones necesarias para producir oscilaciones láser en un sistema dado no se ha tomado en cuenta ninguna pérdida de potencia que pudiese ocurrir. Aunque para el avance del efecto láser la inversión de poblaciones es indispensable, no es posible producir ninguna luz láser útil a menos que la potencia radiante producida por emisión estimulada supere tal(es) pérdida(s) mediante otros mecanismos. Las pérdidas del sistema incluyen la potencia emitida en transiciones espontáneas, pérdidas internas como absorción en el medio en transiciones indeseadas, dispersión en el medio y dispersión y difracción en los espejos.
Estas pérdidas representan energía desperdiciada. La transmisión de la luz láser a través del espejo de salida también es pérdida de potencia, aunque es una condición esencial para la extracción de potencia útil del láser. Por consiguiente, debe existir un umbral, antes de que sea posible la ocurrencia del efecto láser, correspondiente al punto de equilibrio entre ganancia y pérdida. Transmisores de Fibra óptica

• LED:

Es una unión de PN que emite luz cuando se le polariza para ser conductor, si el electrón encuentra un hueco se combinan y en el proceso libera energía en forma de luz. Se diseña para emitir el color de luz deseada. Para la transmisión por fibra se utilizan los colores de 850 y 1310 nm no visibles, ubicados en el infrarrojo cercano. En estas longitudes de onda las fibras presentan bajas pérdidas.

El LED no es perfecto, la luz que emite consiste en más de una longitud de onda. Un Transmisor de LED Consta de un LED y su circuito excitador. Los pulsos de datos se aplican a una compuerta lógica que opera un transistor/interruptor Q1 colocando al LED en apagado y encendido, a una velocidad del orden décimas de ns.

Los LED son capaces de generar niveles de potencia de 10 a 50 W (─15 a ─30 dBm), para lo cual se necesita una corriente de polarización de 50 a 200 mA. También hay disponibles LED con especificaciones de salida de 600 a 2500 W.
Debido a estos niveles de baja intensidad, sumado al hecho de que su velocidad de cambio no es muy rápida, los transmisores LED son buenos sólo para distancias cortas y transmisiones de baja velocidad.

• LASER:

El dispositivo láser consta de un medio activo capaz de generar un haz láser. En la generación intervienen 4 procesos: absorción, bombeo, emisión espontánea y estimulada.
Un transmisor Láser Consta de un diodo láser y su circuito excitador. Los pulsos de datos se aplican a una compuerta lógica que opera un transistor interruptor Q1 colocando al láser en apagado y encendido a una velocidad muy alta, del orden de ps.
Los transmisores láser desarrollan potencias de salida desde unos cuantos mW a algunas W. Debido a estos niveles de alta intensidad, sumado al hecho de que su velocidad de cambio es muy rápida, los transmisores láser se utilizan para distancias largas y transmisiones de alta velocidad, del orden de cientos de Gbps.
Los láseres disipan una cantidad tremenda de calor, por lo que deben conectarse a un difusor de calor para su operación correcta.

➔     Características de emisión de la luz Láser

1. Coherente. (Misma Longitud de onda; amplitud y fase) Partes diferentes del haz del láser están relacionadas en fase unas con otras. Estas relaciones de fase se mantiene suficientemente larga en el tiempo, para que los efectos de interferencia pueden ser vistos o registrados fotográficamente. Esta propiedad de la coherencia es lo que hace posible los hologramas. 
2. Monocromática. La luz láser consiste esencialmente en una sola longitud de onda, que tiene su origen en la emisión estimulada de un conjunto de niveles de energía atómica.
3. Colimada. (Viajan en la misma dirección en forma paralela). Durante el rebote entre los espejos de los extremos de una cavidad de láser, ese camino que debe contribuir a la amplificación de la luz, se debe recorrer muchas veces y muy perpendicular a los espejos, de otra manera saldrán fuera del haz y se perderán. Como resultado, el Haz del láser es muy estrecho y no se esparce mucho.

➔     Clasificación de la luz láser.

Según la peligrosidad de los láseres y en función del Límite de Emisión Accesible (LEA) se pueden clasificar los láseres en las siguientes categorías de riesgo:

● Clase 1: Seguros en condiciones razonables de utilización.

● Clase 1M: Como la Clase 1, pero no seguros cuando se miran a través de instrumentos ópticos como lupas o binoculares.

● Clase 2: Láseres visibles (400 a 700 nm). Los reflejos de aversión protegen el ojo aunque se utilicen con instrumentos ópticos.

● Clase 2M: Como la Clase 2, pero no seguros cuando se utilizan instrumentos ópticos.

● Clase 3R: Láseres cuya visión directa es potencialmente peligrosa pero el riesgo es menor y necesitan menos requisitos de fabricación y medidas de control que la Clase 3B.

● Clase 3B: La visión directa del haz es siempre peligrosa, mientras que la reflexión difusa es normalmente segura.

● Clase 4: La exposición directa de ojos y piel siempre es peligrosa y la reflexión difusa normalmente también. Pueden originar incendios.

Tipos de Láser

Dependiendo del medio los láseres suelen denominarse de estado sólido, de gas, de semiconductores o líquidos.

●     Láser de medio sólido (rubí)

Los medios más comunes en los láseres de estado sólido son varillas de cristal de rubí o vidrios y cristales con impurezas de neodimio. Los extremos de la varilla se tallan de forma que sus superficies sean paralelas y se recubren con una capa reflectante no metálica. Los láseres de estado sólido proporcionan las emisiones de mayor energía. Normalmente funcionan por pulsos, generando un destello de luz durante un tiempo breve. Se han logrado pulsos de sólo 1,2 × 10-14 segundos, útiles para estudiar fenómenos físicos de duración muy corta. El bombeo se realiza mediante luz de tubos de destello de xenón, lámparas de arco o lámparas de vapor metálico. La gama de frecuencias se ha ampliado desde el infrarrojo (IR) hasta el ultravioleta (UV) al multiplicar la frecuencia original del láser con cristales de dihidrogenofosfato de potasio, y se han obtenido longitudes de onda aún más cortas, correspondientes a rayos X, enfocando el haz de un láser sobre blancos de itrio.

●     Láser de gas (He-Ne)

  

El medio de un láser de gas puede ser un gas puro, una mezcla de gases o incluso un vapor metálico, y suele estar contenido en un tubo cilíndrico de vidrio o cuarzo. En el exterior de los extremos del tubo se sitúan dos espejos para formar la cavidad del láser. Los láseres de gas son bombeados por luz ultravioleta, haces de electrones, corrientes eléctricas o reacciones químicas. El láser de helio-neón resalta por su elevada estabilidad de frecuencia, pureza de color y mínima dispersión del haz. Los láseres de dióxido de carbono son muy eficientes, y son los láseres de onda continua (CW, siglas en inglés) más potentes.

●     Láser de semiconductor (GaAS)

Los láseres de semiconductores son los más compactos, y suelen estar formados por una unión entre capas de semiconductores con diferentes propiedades de conducción eléctrica. La cavidad del láser se mantiene confinada en la zona de la unión mediante dos límites reflectantes. 

El arseniuro de galio es el semiconductor más usado. Los láseres de semiconductores se bombean mediante la aplicación directa de corriente eléctrica a la unión, y pueden funcionar en modo CW con una eficiencia superior al 50%. Se ha diseñado un método que permite un uso de la energía aún más eficiente. Implica el montaje vertical de láseres minúsculos, con una densidad superior al millón por centímetro cuadrado. Entre los usos más comunes de los láseres de semiconductores están los reproductores de discos compactos y las impresoras láser.