tema 3 fuentes de luz y emisión láser

Transcripción

Fundamentos de Óptica
Apuntes de Óptica
Curso 2010/11
TEMA 3
FUENTES DE LUZ
Y EMISIÓN LÁSER
Prof.Dr. E. Gómez González
Departamento de Física Aplicada III
E.S.Ingenieros - Universidad de Sevilla
2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS – ÓPTICA (TEMA 3 – Fuentes de luz y emisión láser)
1
© E.G.G. DFA III-ESI 2010/11
UNIVERSIDAD DE SEVILLA
Tema 3: Fuentes de luz y emisión láser
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Consideraciones cuánticas
Emisión espontánea y absorción
Emisión estimulada y amplificación
Inversión de población
Cavidad resonante y modos de funcionamiento
Emisión láser
Coherencia espacial y temporal
Componentes generales y luz emitida
Comparación con fuentes de luz convencionales (filamento, gas, halógena) y
nuevas fuentes (lámparas de diodos LED, lámparas de bajo consumo, solares)
Tipos de láser
Láser de medio sólido (rubí)
Láser de gas (He-Ne)
Láser de semiconductor (GaAS)
Almacenamiento óptico de información
Aplicaciones en comunicaciones ópticas
Otros tipos y aplicaciones. Holografía.
Riesgos en el uso de fuentes de luz láser. Normas legales.
Clasificación y medidas de seguridad
Dispositivos de protección ocular
Estos Fundamentos de Óptica han sido específicamente adaptados como Apuntes para el Curso de Óptica que imparte el autor en la asignatura Campos
Electromagnéticos de Ingeniería de Telecomunicación de la E.S.Ingenieros de la Universidad de Sevilla. Se recomienda su utilización combinada con los
demás materiales y referencias de la asignatura.
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destinarse al estudio personal. Para citar la información contenida en los mismos debe indicarse:
Gómez González, E.: Fundamentos de Óptica: Fuentes de luz y emisión láser, Universidad de Sevilla 2006-09.
así como los datos específicos de cada obra detallados en las Referencias indicadas entre corchetes.
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Consideraciones cuánticas
Los electrones están alrededor de los núcleos en determinadas órbitas o niveles de energía (definidos por los números cuánticos).
En estos niveles, los electrones están en un estado estable: ni absorben ni emiten energía. Cada nivel tiene una cierta densidad
de ocupación. Entre cada par de niveles existe una probabilidad de transición medida por los coeficientes de Einstein. Cuando
un electrón “salta” de un nivel a otro se produce una radiación cuya frecuencia (ν) está relacionada con la diferencia de energía entre
los niveles por la fórmula de Planck: ∆E = h·ν. Esta radiación es una onda electromagnética propagándose con la velocidad de la
luz c ≈ 3·108 m/s. Recordemos que la frecuencia está relacionada con la longitud de onda (λ) de la radiación por c = λ·ν
Cada λ visible es percibida por el ser humano como un color. En el modelo corpuscular, la radiación emitida está constituida por
fotones.
Emisión espontánea y absorción
En condiciones normales, la mayoría de los átomos de una población se encuentran en su
estado más bajo de energía (nivel fundamental), pero el resto están excitados, con
alguno de sus electrones en un nivel superior de energía. Algunos estados son estables y
otros metaestables.
Los átomos que se encuentran en estado excitado emiten espontáneamente fotones,
volviendo al nivel energético inferior. Este proceso es aleatorio, denominándose emisión
espontánea y los fotones emitidos no son coherentes, es decir, no guardan ninguna
relación de fase (espacial ni temporal) unos con otros,
Cuando sobre un electrón incide radiación de energía ∆E, tiene lugar un proceso de
absorción, promocionándose el electrón a un nivel de energía superior.
Emisión estimulada y amplificación
Si sobre un electrón en un estado excitado incide una radiación de energía
correspondiente a una cierta diferencia de niveles, el átomo es estimulado a emitir
un fotón de la misma frecuencia y fase. Este es el proceso de emisión estimulada
y al sumarse ambas radiaciones (la incidente y la emitida) tiene lugar la
amplificación de la radiación. La emisión estimulada se puede producir en
condiciones normales pero es un efecto muy pequeño porque hay pocos átomos en
estado excitado.
3
Inversión de población
Algunas sustancias activas tienen una estructura de niveles con ciertas características
particulares que les permiten alcanzar un estado denominado inversión de población.
Para que se pueda alcanzar, es necesario que haya i) un conjunto de (al menos 3) niveles
relativamente próximos con energías E1<E2<E3, uno de los cuales sea “fácilmente
alcanzable” (E3), ii) una pareja (E3-E2) con alta probabilidad de transición por emisión
espontánea y iii) que el nivel “intermedio” (E2) sea metaestable. La inversión de población es
un estado en el que el nivel de energía metaestable (E2) está “superpoblado”, con más
electrones que un nivel inferior (E1). En esas condiciones la probabilidad de que tenga lugar
una emisión estimulada es muy alta, y se pueden obtener muchos fotones coherentes.
Fuentes de luz “convencionales”
En toda fuente de luz hay una sustancia emisora de la luz (sustancia o
medio activo, MA) y un mecanismo de aporte energético (AE),
diferente según el tipo y estado de agregación de la sustancia activa. Al
excitarse el MA se ocupan los diferentes niveles energéticos superiores
y al desexcitarse, emiten la diferencia de energía en forma de radiación.
Mientras mayor probabilidad de ocupación tenga un nivel, mayor es la
intensidad de la radiación procedente del mismo y, en consecuencia,
esa longitud de onda (color) tiene mayor proporción en la luz emitida.
La luz emitida por una fuente convencional se caracteriza por ser
• policromática: el color es la suma (ponderada) de las diferentes λ
• no colimada, sino resultado de la superposición de ondas esféricas
elementales
• incoherente: espacial y temporalmente
Algunas fuentes de luz naturales (MA + AE):
• estrellas (sol): H, He + reacción termonuclear
• llama: proceso de combustión
• luminiscencia (inducida): sustancia química + luz de λ adecuada
Algunas fuentes de luz artificiales:
• bombilla incandescente: filamento de metal + efecto Joule
• tubo fluorescente: mezcla de gases + campo eléctrico
• diodos LED / lámparas de bajo consumo / …
4
Fuentes “convencionales”: Tubos de gas (fluorescentes)
[8]
5
Fuentes “convencionales”: Lámparas halógenas
[12]
Bombillas incandescencia
Duración ≈ 1000 horas
Luz: amarillenta (3000 K)
Lámparas Halógenas
Duración ≈ 2000 horas
Luz: blanca – amarilla (2800-3000 K)
Consumo: 30% menor
6
“Nuevas” Fuentes de luz: Lámparas de diodos LED
• diodos LED de alta luminosidad
• tripletes rojo + verde + azul, con modulación de intensidades emitidas
• luz blanca: triplete RGB con igual “peso relativo” o diodo UV +
capa de fósforo (single phospor)
Características
• pueden incorporan microlentes
• larga duración: hasta 50.000 horas
• fuentes de alimentación de baja tensión y corriente
constante (muy útil en entornos peligrosos o con riesgo
de incendio o explosión)
Aplicaciones
• iluminación arquitectónica (adaptable), focos, …
• señales (tráfico, …)
• espectáculos “dinámicos”
• comunicación inalámbrica “segura” 10-100 Mb/s
• interacción biológica / química
Inconvenientes
• sensibles al calor (precisan disipación)
• coste
Luz emitida:
• elevada saturación y brillo (reproduce cualquier
color del espectro)
• sin radiación UV e IR: adecuados para materiales
o productos fotosensibles
• controlable: espectro, temperatura de color,
polarización, patrones espaciales y modulación
temporal
• emisión: hasta 20 lm
Otros tipos:
• microleds: 20 µm, GaN, 30-550 nm, en arrays
ultraplanos
• organic (OLEDs): bajo consumo, montaje sobre soportes
flexibles, dispositivos móviles (teléfonos, pda,…)
Eficacia luminosa
• bombilla incandescencia (60-100 W) ≈ 15 lm/W
• fluorescente hasta ≈ 100 lm/W
• LED de alta potencia (1 W) ≈ 100 lm/W
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“Nuevas” Fuentes de luz: Lámparas de bajo consumo (magnitudes radiométricas y fotométricas en Tema 4)
Características
• consumo eléctrico mucho menor
• duración muy superior (6000-10000 horas)
• mejor reciclaje
Inconvenientes
• contienen pequeñas cantidades de mercurio →
reciclado
• coste por unidad
Luz emitida
• alta saturación y brillo. Temperaturas de color blancoamarillo desde 2700 K – 3000 K
• algunos tipos no regulables en intensidad
• según el tipo de lámpara emiten
- haces amplios / isótropos: medidos en lumen (lm)
- haces direccionales: medidos en candelas (cd)
Eficacia luminosa
• muy superior a lámparas convencionales
(incandescencia, halógenas, fluorescentes)
Ej: con consumo eléctrico de 20 W producen 1300 lm
mientras que con bombilla incandescente son
necesarios 100 W.
8
“Nuevas” Fuentes de luz: Lámparas solares
Elementos
Cúpula acrílica
Sensor óptico (detección del sol)
Lente concentradora
Posicionador orientable
Fibra Óptica de transmisión
Sistema de control
Principales características
• Captación de luz para iluminación en interiores
• Óptica de concentración (lente) y fibra óptica para
transmisión
• Usa la aberración cromática para filtrar los UV e IR
• Cono de luz emitido por la fibra de unos 58º→ a unos 2 m
consigue una iluminancia de aprox 500 lux
• Un sistema de 12 lentes proporciona un flujo luminoso total
de 4000 lm
•Otras tecnologías: mediante espejos
Valores de referencia de Iluminancia (sobre la superficie iluminada)
• 1000 lux para tareas de detalle (costura)
• 500 lux para lectura
• 200 lux para uso recreativo
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LÁSER: 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.
Componentes básicos de un emisor de luz láser:
LASER = Light
Amplification by
Stimulated
Emission of
Radiation
• 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.
Características 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
emisión 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.
θ
θ
θ = divergencia angular
(muy exagerada)
• 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.
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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.
Haz emitido
La geometría de la cavidad es muy
importante porque afecta a su estabilidad y a
la ganancia (y, por tanto, a la amplificación
alcanzable).
¡ Ojo ! 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.
Tiempo
Para transmisión de datos puede modularse la emisión CW pero es preferible usar un láser pulsado.
Potencia (W)
Modo CW
En modo-P se consiguen mayores energías (láseres de alta potencia). Hay varias formas
de controlar la ganancia de la cavidad (y, en consecuencia, el ancho de los pulsos y su
energía):
- gain switched: lámpara de bombeo se enciende/apaga. Pulsos de μs / ms
- Q-switched: ganancia de la cavidad en escala temporal. Pulsos de ns
- Modelocked: cavidad en trayecto ida-vuelta, Pulsos de ps → fs
Modo P
Energía (J)
Modos de funcionamiento: Si la frecuencia de emisión de los pulsos es muy alta,
el láser emite en modo continuo (continuous wave, CW) y la energía de la
radiación emitida se caracteriza por su potencia (W). Si se diferencian los pulsos,
se dice que emite en modo pulsado (pulsed mode, P) y se caracteriza la energía
por las propiedades de cada pulso: energía por pulso (J), frecuencia de repetición
(Hz) y ancho de pulso (s).
En Modo CW, si el láser emite una potencia
P, se define la irradiancia como
I = P / A (W/m2)
La irradiancia se puede aumentar si,
mediante una lente a la salida del haz, se
reduce su sección, alcanzándose hasta
1015 W/m2
Tiempo
11
Tipos de emisores láser. Dependen de la sustancia activa (SA) y del mecanismo de aporte energético (sistema de
bombeo, SB). Puede conseguirse emisión láser en (casi) todo el espectro óptico. Los tipos más comunes son
• láser de medio sólido: 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 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.
• láser 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 bajas-medias (hasta kW). Diferentes
mezclas de gases producen la emisión en diferentes λ. Requieren el recipiente de contención 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, …
• láser de semiconductor (láser de diodo, Injected Laser Diode ILD): 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.
Otros tipos:
• láser de colorante (medio líquido). Tienen la gran ventaja de que son sintonizables: se puede cambiar la λ emitida mediante la
modificación de la composición de la mezcla líquida que forma la SA. Son complejos (tuberías, recipientes) y de gran tamaño.
• otros: láseres de gel, de rayos X, nucleares, …
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Láser de medio sólido
Láser de semiconductor
[1]
ILD = Injected Laser Diode
c
(r = 100%)
Diámetro ~ 0.5 cm
Longitud ~ 5 cm
Láser de Rubí
Bombeo óptico:
Iluminación con luz
de una lámpara de
Xe (láser de rubí) o
de yoduro de
tungsteno (láser de
NdYAG).
Láser de Nd:YAG
(r = 99.9%)
Rojo
[1]
• GaAs: rojo - IR
λ ~ 690 / 870 nm, P~50 mW
comunicaciones / imagen alta velocidad
• GaN: azul
λ ~405-410 nm, P~30 mW
DVD blu-ray disc
¡OJO! No confundir con
• AlGaInP: rojo
LED = Ligth Emitting Diode
λ ~635→670 nm, P~220 mW
CD-ROM
• AlGaAs: IR
λ ~780→830 nm, P~220 mW
CD-R/RW
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Láser de gas
e-
[1]
Para conseguir la emisión de luz con polarización controlada, los extremos del
recipiente del gas se tallan en forma de ventanas correspondientes al ángulo de
Brewster. El haz emitido tiene polarización plana (aunque se pierde energía luminosa).
• He-Ne λ ~ 632.8 nm, P~ W
aplicaciones industriales
• Ar+: λ ~ 515 nm, P~10 W
aplicaciones médicas
• He-Cd: λ ~ 442 nm, P~10 mW
análisis ambiental (polución, …)
• CO2: λ ~ 10.2 μm, P~ kW
cortes, taladros,
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Distribución espacial de la energía de un haz láser
La distribución espacial de la luz emitida en una sección transversal del haz depende de los modos electromagnéticos (modos
TEM) de la cavidad. En general, y específicamente para la transmisión de datos por una fibra, interesa conseguir el modo TEM00
porque tiene un perfil de intensidad gausiano.
Irradiancia (W/m2) en la sección del haz
[4]
[1]
En modo CW está dada por el cociente entre la potencia (luminosa
P) y la sección (A) del haz (suele ser circular). Debido a la
divergencia angular (θ) del haz, la irradiancia (I) disminuye al
aumentar la distancia al emisor, aunque en muchas aplicaciones
puede considerarse θ = 0 y la sección del haz constante. Si interesa
concentrar el haz se usa una lente convergente, que reduce A.
Ej. Un puntero láser consta de un láser de semiconductor de
P = 3 mW que forma un punto de 2 mm de diámetro sobre la
pantalla. Su irradiancia es
P
P
I= =
= ... = 9.6 ⋅10 2 W/m 2 ≈ 1000 W/m 2
2
A π ⋅R
La energía total incidente sobre la superficie iluminada es el producto de la
irradiancia por el tiempo de duración de la exposición. El valor de I ≈ 750 – 1000
W/m2 corresponde a la irradiancia del sol a nivel del mar (!!). Para un adulto
sano, este es el valor máximo tolerable en el sistema ocular, y es el límite
máximo de protección del ojo mediante el reflejo de aversión ocular y
parpadeo (tarda unos 0.25 s). Valores superiores de irradiancia pueden ser muy
peligrosos y causar daños irreversibles porque en el tiempo que tarda el reflejo en
activarse ya ha entrado suficiente energía como para producir daño en la retina.
Incidencia sobre una superficie
Según la λ y la rugosidad de la superficie puede
producirse reflexión especular o difusa. Esto es
muy importante para determinar el riesgo al
exponerse a un haz reflejado, mucho mayor si
es especular (la divergencia angular aumenta
muy poco).
Reflexión especular. θ no cambia
Reflexión difusa. θ aumenta mucho.
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Almacenamiento óptico
de información: CD / DVD
Disco Óptico Compacto (compact disc, CD): consta de una película
(aleación) de Te, Sn y Pb sobre disco de Al o cristal + capa protectora.
Sucedieron a los discos magnéticos (1950) y a los videodiscos (1970).
Escritura: La luz de un diodo láser se concentra (mediante lentes) hasta
alcanzar un nivel de irradiancia sobre la superficie del disco que produce un
“punto de quemadura” (disco WORM, write once, read many) o una
“deformación local” (disco regrabable) correspondiente a cada bit (1/0), a lo
largo de diferentes pistas. Se denomina “ablación láser”. Físicamente, el Te
experimenta un cambio de fase a temperatura ambiente, pasando de
policristalino a amorfo.
Lectura: La ablación láser provoca un cambio de reflectividad (de especular
a difusa) de la superficie del disco. En el proceso de lectura, el mismo láser
(operando a una potencia inferior) ilumina el disco y la luz reflejada es
redirigida hacia un fotodetector que la interpreta como 1/0 (según su
intensidad). En los discos regrabables, un calentamiento de la superficie
“borra” las deformaciones, permitiendo una nueva grabación.
El tamaño del mínimo punto que almacena información está dado por la λ del
láser. Los primeros sistemas (1980) usaban diodos emisores rojo/IR con
λ~800 nm → 17 MB/cm2 . En el año 2000 se consiguieron semiconductores
que emitían luz azul (blu-ray), con lo que el tamaño del punto se reducía casi
a la mitad, aumentando notablemente la capacidad de almacenamiento en el
mismo tamaño de disco. λ~410 nm →387 MB/cm2.
¡ no tocar !
normal
arañazo
polvo
polvo
transparente
16
grasa de
huella dactilar
Proceso óptico de lectura / escritura
Profundidad y extensión de las marcas en el disco
Como la luz reflejada es una señal débil, para facilitar la
identificación de las marcas, su profundidad “d” es tal que se
produzca interferencia destructiva en la incidencia sobre los
flancos (límites) de la marca. El valor “d” depende de la λ, y del
índice de refracción de la capa de material sobre el disco. Para
λ = 780 nm y n = 1.50 la profundidad d ~ 0.12 μm = 120 nm.
d
Estructura de las pistas y
las marcas de grabación.
Realimentación para mantener alineamiento
Para poder seguir con precisión las pistas en espiral, separadas ~ 1.5 μm, el láser de
lectura/escritura debe contar con un mecanismo de realimentación para controlar si se
desvía. Se basa en una red de difracción que descompone el haz del láser en uno
central y dos laterales, separados un ángulo tal que los haces laterales inciden sobre
el espaciado inter-pistas. Si el haz de lectura se desvía, las señales (reflejadas) de los
haces laterales cambian y se activa un mecanismo de realimentación y
desplazamiento de las lentes para corregir la dirección de incidencia. Esto permite que
la lectura/escritura sea más resistente a las vibraciones.
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Tipos de discos ópticos y capacidad de almacenamiento
Prismas
Espejo
semitransparente
M. Fischetti. Investigación y Ciencia, octubre 2007.
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Disco magneto-óptico
Disco: película (aleación) de metales/tierras raras (TbFeCo) con
una estructura de dominios magnéticos.
Fundamentos: dos fenómenos físicos
• La orientación de los dominios magnéticos puede cambiarse
con un campo magnético débil (300 G) si el material ha sido
previamente calentado por un láser hasta su temperatura de
Curie (Tc, a la que tiene lugar la transición de ferromagnético a
no-ferromagnético). Una vez que el material se enfría, la
orientación permanece (hasta campos de kG).
• si sobre un material ferromagnético incide luz polarizada plana,
el plano de polarización de la luz reflejada está rotado un cierto
ángulo (efecto Kerr magneto-óptico), de 0.5-1.0º.
Escritura: el láser calienta el material hasta Tc y el cabezal
magnético (electroimán modulado por la señal digital a grabar)
orienta los dominios en ese punto, codificando un 1/0.
I↑
Lectura: el haz del láser (polarizado) incide sobre el material
ferromagnético. La luz reflejada se hace pasar por un polarizador
e incide sobre un detector (en montaje diferencial porque son
señales muy débiles). Según su polarización se interpreta si la
señal ha sido reflejada en un punto magnetizado o no (1/0).
Ej: La superficie del disco se mueve con velocidad ~ 1 m/s
respecto al haz láser y cada marca es un cilidro de L ~ 1 μm y R
~ 1 μm. El material ferromagnético tiene temperatura de Curie
TC = 600 K, calor específico Ce = 300 J/(K oC) y densidad ρ =
2·103 kg/m3. Con estos datos, el haz láser debe producir una
irradiancia I ~ 108 W/m2.
I↓
I↑
19
Riesgos en el uso de fuentes de luz láser. Normas legales.
Riesgos debidos a la radiación óptica
Ocular: La exposición aguda (“puntual”) a algunas longitudes de onda (290-400nm) y/o potencias puede causar
quemaduras en la córnea, la retina o ambas. La exposición crónica (“prolongada”) a niveles excesivos puede causar
opacidad en la córnea o en el cristalino (cataratas) o daño retinal. La franja de daño retinal es de 400-1400 nm. Los efectos
visuales pueden no ser evidentes hasta que el nivel de daño térmico sea muy alto. La exposición al láser Nd:YAG Qswitched (1064 nm) es particularmente peligrosa.
Dérmico: La exposición aguda a altos niveles de radiación óptica puede causar quemaduras en la piel. Para potencias 1 W 5 W el daño inicial es superficial. Para potencias superiores el daño profundo es inmediato. La carcinogénesis puede ocurrir
para longitudes de onda ultravioleta (290-320 nm).
Otros riesgos
Químico: Algunos láseres necesitan sustancias peligrosas o tóxicas para su funcionamiento (p.ej.: láseres de colorante o
láseres de excímero). Los láseres pueden inducir reacciones químicas con liberación de productos peligrosos gaseosos (F).
Eléctrico: La mayoría de los láseres utilizan fuentes de alto voltaje que pueden ser letales. Fuentes defectuosas de >15 kV
pueden emitir rayos-X.
Incendio: Los disolventes utilizados en los láseres de colorante son inflamables. Las lámparas de flash o de alto voltaje
puede ocasionar ignición. Los materiales inflamables pueden entrar en ignición debido a incidencia directa o reflexiones
especulares de láseres infrarrojos continuos de alta potencia.

Los láseres se clasifican por su potencial de riesgo basado en su emisión óptica. Otros riesgos hay que evaluarlos por
separado (Low Voltage Directive, Radio &Telecom.Terminal Equipment Directive, Machinery Directive)
Las medidas de seguridad necesarias vienen determinadas por esta clasificación y son obligatorias legalmente
A nivel internacional las normas las definen la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) y la Organización Internacional de
Estandarización (ISO) y sus análogos europeos (CENELEC y CEN), siendo adaptadas por los organismos nacionales de
cada país.
¡¡ hay que consultarlas siempre !! ¡¡ buscar las últimas actualizaciones !!
Algunas son:
EN 60825-4:2006 - protecciones
EN 60825-1:2007 – fabricante, clasificación
EN 207:1999, EN 208:1999 – protectores oculares
EN 60825-2:2004 – sistemas de fibra óptica
Directiva sobre Exposición a Radiación Óptica Artificial (AORD)
EN 60825-12:2004 – comunicaciones aéreas
2006/25/EC a implementar antes del 27/4/10.
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Criterios de clasificación de los láseres (según su riesgo)
1. Longitud de Onda. Si el láser emite en múltiples longitudes de onda, la clasificación se basa en aquella más peligrosa.
2. Se diferencia si se trata la exposición directa o a la luz reflejada y si es reflexión especular o difusa.
3. Para clasificar los láseres de onda continua (continuous wave, CW) o los láseres pulsados repetitivos se consideran la
potencia promedio de salida (average power output) (W) y el tiempo de exposición límite (limiting exposure time)
inherentes al diseño.
4. Para clasificar los láseres pulsados se consideran la energía total por pulso (J), la duración (ancho) del pulso , la
frecuencia de repetición de pulsos y la exposición radiante del haz emergente (emergent beam radiant exposure).
5. Cada Clase tiene tabulado un Límite de Emisión Accesible (Accesible Emission Limit, AEL) .
6. La Exposición Máxima Permitida (Maximum Permitted Exposure, MPE) se define como “El nivel de radiación láser al que
una persona puede estar expuesta sin sufrir efectos peligrosos o cambios biológicos adversos en el ojo o en la piel“. La MPE
no es una “línea de diferenciación” entre una exposición segura y una peligrosa, sino que representa los niveles máximos que,
según el acuerdo de los expertos, pueden ser ocupacionalmente seguros para exposiciones repetidas. La MPE, expresada en
[J/cm2] or [W/cm2], depende de los parámetros del láser. La Zona de Riesgo Nominal (nominal hazardous zone, NHZ) es la
zona donde se supera la MPE. Debe estar señalizada y restringida (según la Clase).
Con los criterios anteriores se generan las 4 Clases (7 niveles) de riesgo láser (p. siguiente). Hay que tener en cuenta que
1. La clasificación solo es válida para el uso normal del equipo. Las operaciones de servicio y mantenimiento o desmontaje
(incluso parcial) o una rotura (por ejemplo, en una fibra óptica) pueden hacer que los niveles de exposición sean superiores.
2. El uso de gafas o cualquier otro instrumento óptico puede reducir la sección del haz, aumentando su irradiancia y hacer que el
nivel de exposición real de un usuario sea superior al correspondiente al nivel del sistema láser.
3. Requieren especial atención con los dispositivos láser emisores de haces no visibles (IR, UVA). A veces se usan haces visibles
paralelos o tarjetas luminiscentes para marcar la trayectoria del haz no visible. Ej: sistemas de fibra óptica.
4. La Directiva AORD impone realizar una evaluación de riesgo para los equipos de Clases 3B y 4. Esto no quiere decir que no
sea también necesaria para equipos de clase inferior, especialmente si es posible que los usuarios puedan superar los niveles
de exposición admisibles.
5. El nivel de riesgo permisible depende del entorno y uso. Para entorno abierto (unrestricted locations) en el rango de 400 nm a
700 nm la Clase es 2 y para todas las otras longitudes de onda es Clase 1.
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Clase* / POTENCIA / rango de λ
Clase 1
SEGURO
Visible / no visible
Clase 1M
SEGURO SIN DISPOSITIVOS DE
AYUDA A LA VISIÓN
302.5 nm hasta 4000 nm
Clase 2
BAJA POTENCIA
Sólo visible
Clase 2M
SEGURO SIN DISPOSITIVOS DE
AYUDA A LA VISIÓN
Sólo visible
Clase 3R
BAJA /MEDIA POTENCIA
Clase 3B
MEDIA /ALTA POTENCIA
Clase 4
ALTA POTENCIA
Características
Láser seguro en condiciones de uso normal. Generalmente contiene un láser de clase
superior en una carcasa no accesible sin desmontarla. Nunca supera la MPE.
Láser seguro en condiciones de uso normal. Los haces son altamente divergentes o
colimados pero con gran diámetro. Pueden ser peligrosos si el usuario utiliza algún
dispositivo óptico en el haz.
Para los láseres continuos (CW) la protección de los ojos es la dada por la respuesta
de aversión natural, incluyendo el reflejo del parpadeo, que tarda aproximadamente
0.25s en producirse. Estos láseres no son intrínsecamente seguros. Para láseres CW,
el AEL = 1 mW (o superior si la exposición es menor de 0.25s). Ej.: punteros.
La protección de los ojos es la dada por la respuesta de aversión natural, incluyendo
el reflejo del parpadeo, que tarda aproximadamente 0.25s en producirse. Los haces
son altamente divergentes o colimados pero con gran diámetro. Pueden ser peligrosos
si el usuario utiliza algún dispositivo óptico en el haz.
Se considera seguro si se maneja cuidadosamente y sin visión directa. Puede
superarse la MPE pero con bajo riesgo de daño. Para láseres CW, el AEL = 5 mW.
Protección ocular recomendada.
La visión directa del haz (o reflexión especular) es siempre peligrosa. La visión de
reflexión difusa es normalmente segura si el ojo está a más de 13 cm de la superficie
difusora y si la exposición es menor de 10 s. Para láseres CW, el AEL = 500 mW.
Para láseres pulsado entre 400-700 nm el límite es 30 mJ. Requieren protector ocular,
llave para funcionar e interruptor de seguridad.
La visión directa del haz (o reflexión especular) es siempre peligrosa. Las reflexiones
directa y difusa son también peligrosas. Riesgo ocular y dérmico. Peligro de incendio.
Requieren protector ocular, llave para funcionar e interruptor de seguridad.
*Esta clasificación coexiste con una Clasificación (anterior) norteamericana que define las Clases I, II, IIa, III, IIIa y IV.
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Precauciones y Medidas de Seguridad
El Etiquetado debe indicar
• punto / dirección de salida del haz
• tipo (gas / diodo / iones / …)
• modo (continuo / pulsado)
• energía y frecuencia de pulsos / potencia
• longitud de onda (y si es invisible)
• Clase
• advertencias (para piel y ojos) según Clase
• [norma legal de referencia]
• advertencias según sustancias (tóxicas, inflamables,
…) y mecanismo de excitación (riesgo eléctrico, …)
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Dispositivos de protección ocular. Son obligatorios (al menos) con sistemas de Clases 3 y 4. Muy recomendables
siempre, especialmente al manipular sistemas con riesgo de exposición imprevista o λ no visibles.
Los protectores oculares se fabrican en polímeros o cristales con un absorbente:
1. Los protectores específicos para una longitud de onda no sirven para otra (aunque sean próximas o “del mismo color”).
2. El fabricante debe señalar el tiempo máximo de resistencia (del protector) a la exposición indicando:
- modo continuo: potencia y número máximo de segundos
- modo pulsado: número máximo de pulsos / frecuencia y energía/pulso
3. El material absorbente se degrada con el tiempo: ¡¡ ojo a la fecha de caducidad !!
4. Deben permitir el máximo de visión (mínima atenuación) en el resto del espectro visible. Para la mayoría de las
aplicaciones, no deben atenuar por completo el láser para permitir ver la localización del haz.
5. Otros factores a considerar: ángulo de visión y visión periférica, atenuación en otras longitudes de onda, posibilidad
de llevar gafas de corrección oftálmica simultáneas, resistencia a impactos y salpicaduras, peso y comodidad.
Tipos (comunes) de protectores oculares
Full-view spectacles
(gafas de campo completo)
Goggles
(gafas “submarinas”)
Lightweight spectacles
(gafas ligeras)
wrap-around spectacles
(gafas envolventes)
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tema 3 fuentes de luz y emisión láser

Transcripción

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