iluminate - nada vale la ciencia si no se convierte en … · soldadura. 12 4.2. armamentística...
TRANSCRIPT
Iluminate. Situación del láser en la sociedad
2011
Alejandro Rabanillo Miguel Álvarez
01/02/2011
Situación del Láser en la sociedad
1
ÍNDICE
Introducción 3
Aplicaciones del láser en la sociedad actual.
1. Historia 4
2. Definición teórica y propiedades físicas 6
del láser.
3. Fundamentos físicos, componentes y funcionamiento. 7
3.1 .Fundamentos físicos. 7
3.2 .Componentes. 7
3.3. Funcionamiento. 8
4. Aplicaciones. 10
4.1. Industria. 10
4.1.1.Corte. 10
4.1.2. Grabado. 11
4.1.3. Soldadura. 12
4.2. Armamentística. 12
4.3 .Medicina. 13
4.3.1. Odontología. 14
4.3.2. Dermatología 15
4.3.3. Oftalmología. 15
5. Efectos perjudiciales. 17
5.1. Clasificación de los láseres por su peligrosidad. 17
5.2. Posibles efectos dañinos de las distintas 18
aplicaciones del láser.
5.2.1. Depilación láser. 18
5.2.2. Industria. 20
Situación del Láser en la sociedad
2
5.3.3. Computación. 20
6. Conclusión. 21
Bibliografía 22
Situación del Láser en la sociedad
3
INTRODUCCIÓN
Este proyecto surgió con la intención de dar a conocer porque el láser
está tan presente en el mundo actual ya que te puedes encontrar una luz láser
desde en un colegio hasta en un hospital. Partimos de la hipótesis de que su
posición en la sociedad actual se debe a que es muy fácil de conseguir y que
sus propiedades la hacen un haz de luz con numerosas aplicaciones, como son
las operaciones quirúrgicas, reproducción de DVDs y CDs, mediciones precisas
de distancias, etc.
Para el desarrollo de este trabajo disponíamos de un equipo láser
gracias al cual pudimos demostrar tanto las propiedades del láser como varias
propiedades de la física ópticas como son la Ley de Snell y las diferentes
reflexiones del haz de luz láser en el agua. La principal limitación que hemos
tenido con este proyecto ha sido la poca preparación con la que contamos en
este terreno de la física.
Situación del Láser en la sociedad
4
APLICACIONES DEL LASER EN LA SOCIEDAD ACTUAL
1. Historia:
La historia del láser comienza en 1916, cuando Albert Einstein establece los
fundamentos para el desarrollo de los láseres basándose en la ley de radiación
de Plank y la emisión espontánea e inducida de radiación
Es en el año 1928 cuando Rudolf Landenburg ve por primera vez un indicio
del fenómeno de emisión estimulada de radiación, la cuál se demuestra
definitivamente por por Willis Eugene Lamb y R. C. Rutherford poco después
de la Segunda Guerra Mundial.
En 1953, Charles H. Townes y dos estudiantes construyeron el primer máser:
un dispositivo que funcionaba con los mismos principios físicos que el láser
pero que produce un haz coherente de microondas. Este aparato no
funcionaba de forma continua hasta que Nikolái Básov y Aleksandr Prójorov de
la Unión Soviética trabajaron independientemente en el oscilador cuántico y
resolvieron el problema de obtener un máser de salida de luz continua,
utilizando sistemas con más de dos niveles de energía. Townes, Básov y
Prójorov compartieron el Premio Nobel de Física en 1964.
El primer láser (de rubí) es inventado por Theodore Maiman en 1960, aunque
Townes y Arthur Leonard Schawlow son también considerados inventares del
láser ya que desarrollaron proyectos paralelos al de Maiman. En 1969 se
encuentra la primera aplicación industrial del láser al ser utilizado en las
soldaduras de los elementos de chapa en la fabricación de vehículos y, al año
siguiente Gordon Gould patenta otras muchas aplicaciones prácticas para el
láser.
El 16 de mayo de 1980, un grupo de físicos de la Universidad de Hull
registran la primera emisión láser en el rango de los rayos X. Pocos meses
Situación del Láser en la sociedad
5
después se comienza a comercializar el disco compacto, donde un haz láser de
baja potencia "lee" los datos codificados en forma de pequeños orificios (puntos
y rayas) sobre un disco óptico con una cara reflectante. Posteriormente esa
secuencia de datos digital se transforma en una señal analógica permitiendo la
escucha de los archivos musicales. En 1984, la tecnología desarrollada
comienza a usarse en el campo del almacenamiento masivo de datos. En 1994
en el Reino Unido, se utiliza por primera vez la tecnología láser en
cinemómetros para detectar conductores con exceso de velocidad.
Posteriormente se extiende su uso por todo el mundo.
Ya en el siglo XXI, científicos de la Universidad de St. Andrews crean un láser
que puede manipular objetos muy pequeños. Al mismo tiempo, científicos
japoneses crean objetos del tamaño de un glóbulo rojo utilizando el láser. En
2002, científicos australianos "teletransportan" con éxito un haz de luz láser de
un lugar a otro. En 2006, científicos de la compañía Intel descubren la forma de
trabajar con un chip láser hecho con silicio abriendo las puertas para el
desarrollo de redes de comunicaciones mucho más rápidas y eficientes.
Situación del Láser en la sociedad
6
2. Definición teórica y propiedades físicas del láser:
En primer lugar empezaremos por definir que es la luz para así entender mejor
este proyecto sobre el láser.
Lamamos luz a la radiación electromagnética que puede ser percibida por el
ojo humano. La característica más importante de la luz, que es la que define su
color, es la longitud de las incontables ondas que la componen.
Así mismo tiene unas propiedades que comparte con el láser: refracción,
reflexión, difracción y propagación a una velocidad finita (aunque muy alta).
El láser es un tipo de luz que se caracteriza por estar compuesta de ondas
electromagnéticas que tienen las siguientes características:
Coherencia: Todas las ondas están en fase relacionadas una con otra en
tiempo y espacio.
Monocromaticidad: Todas las ondas tienen la misma longitud por lo que
son del mismo color, es decir, todas están ubicadas en el mismo lugar
dentro del espectro electromagnético.
Colimada: Todas las ondas siguen la misma dirección, por lo que
prácticamente no existe divergencia del rayo de luz, como en las luces de
incandescencia.
Situación del Láser en la sociedad
7
3. Fundamentos físicos, componentes y funcionamiento:
3.1. Fundamentos físicos:
El láser se basa en la teoría de la ‘emisión espontánea’ y ‘estimulada de
radiación’ Cuando un átomo es estimulado por medio de un fotón, pasa a un
nivel de energía superior (absorción). Cuando este átomo regresa a su
estado fundamental, emite una luz incoherente (emisión espontánea). Si
este átomo fuese nuevamente bombardeado por un fotón de luz, igual al
fotón que inicialmente lo estimuló, pasaría al nivel de energía superior, y al
descender al estado original, formaría dos fotones de luz, que serán
idénticos en longitud de onda, fase y coherencia espacial; esto se llama
(emisión estimulada). Ambos fotones son capaces de estimular la emisión
de más fotones semejantes a ellos mismos, y de esta forma, mediante una
reacción en cadena, se forma una luz coherente y monocromática.
3.2. Componentes:
Aunque existen muchos tipos de láser, todos ellos poseen tres elementos
fundamentales:
Situación del Láser en la sociedad
8
1.- Un medio amplificador, que suele ser un tubo sellado donde se
encuentran los átomos que son excitados.
2.- Una fuente de energía, cuya función es producir la excitación de los
átomos del medio amplificador mediante una descarga eléctrica.
3.- Un resonador óptico que se compone de dos espejos situados entre los
cuales se sitúa el medio activo, lo que facilita la retroalimentación de la luz
que se amplifica. Estos dos espejos están altamente pulidos (de tal forma
que uno posee reflexión total y el otro parcial) y se encargan de redirigir los
fotones del medio activo, lo que produce una forma de luz brillante,
direccional, monocromática y coherente.
También existe otro elemento que no se utiliza en todos los láser, su
nombre es fibra óptica.
4.- La fibra óptica se utiliza en algunos Láser y su principal objetivo es
concentrar los rayos en un solo punto, aunque tiene un inconveniente: la
perdida de intensidad.
Tras atravesar estos tres elementos normalmente la luz es dirigida hacia
una lente que produce una convergencia de dichos rayos, que se juntan
hasta encontrarse en un punto focal que es lugar de la trayectoria donde
más intensidad existe. A partir de ese punto los rayos divergen y van
perdiendo intensidad.
3.3. Funcionamiento:
Para producirse la luz Láser debe existir primero una "inversión de
población", que consiste en que existan más átomos excitados que en
estados más bajos. Esto ocurre cuando la fuerte de energía aplica una
descarga en el medio amplificador lo cual lleva a las moléculas del "medio
activo" a un estado excitado.
Situación del Láser en la sociedad
9
Tras esto se inicia la absorción, y las emisiones espontáneas y estimuladas
por lo que comienzan a surgir gran cantidad de fotones, que comienzan a
reflejarse dentro del tubo, hasta que, cuando existe una gran cantidad de
ellos, atraviesan el espejo de reflexión parcial y se forma la luz láser.
PARÁMETROS FISICOS
Potencia: Se expresa en vatios (W), y representa la cantidad de energía
emitida en Joules (J) por segundo.
Potencia (W) = Energía (J) / Tiempo (seg.)
Pulsaciones: El Láser puede ser activado en forma pulsada, estos pulsos
vienen representados por el parámetro pulsos por segundo (p.p.s.)
Frecuencia: La frecuencia de las pulsaciones viene representada en Hertz.
Frecuencia: ciclo por segundo. Hertz (Hz.)
Tamaño del punto luminoso: o punto focal, representa el área de energía
del Laser que se aplica al material que sirve de blanco. Se mide en
centímetros cuadrados (cm2); también se expresa en términos del diámetro
del área circular en micrones (µ).
Densidad de potencia: Es el parámetro más importante para determinar
los efectos de la luz en el material sobre el que actúa. Se obtiene dividiendo
la potencia (W) entre el punto sobre el que incide (cm2).
Densidad de potencia = Potencia (W) / tamaño del punto luminoso (cm2)
Según la distancia que existe entre el láser y el objeto podemos distinguir
dos tipos de impulsión: con o sin contacto. En la forma de "contacto" la
salida del haz está en contacto directo con la superficie de impacto. En la
Situación del Láser en la sociedad
10
forma "sin contacto", existe una distancia entre la salida del haz y el área de
choque. Los efectos que el láser puede tener sobre la superficie irradiada
varían según la distancia.
4. Aplicaciones:
Hasta ahora hemos analizado las características del láser de las que hemos
deducido que es una luz muy versátil, ya que gracias a sus características
puede ser aplicable en muchos campos, como los que veremos a continuación.
4.1. Industria:
4.1.1.Corte:
Enfocando un potente láser sobre un punto se puede conseguir una alta densidad de energía, con lo que se puede conseguir cortar con suma precisión. Con estos láseres se puede cortar diamante, recortar componentes micro electrónicos, calentar chips semiconductores, ...
Ventajas:
Una pista de corte virtualmente ilimitada.
Al contrario de las herramientas
mecánicas de corte, como las cuchillas y
sierras, el láser puede hacer cortes
tridimensionales.
Bien adaptado para la fabricación de
partes con baja tolerancia de
características, especialmente las de
materiales flexibles, ya que el haz del
Situación del Láser en la sociedad
11
láser no ejerce ninguna fuerza.
Se puede cortar materiales muy duros y abrasivos sin dificultad ni
desgaste del láser.
Se logra una excepcional calidad en los filos sin necesidad de una
segunda operación.
Se corta a altas velocidades.
Bajos costos de operación y de mantenimiento.
4.1.2. Grabado:
Otra aplicación del láser en este campo es el grabado en materiales como metales o diamante. Esto se consigue gracias a la capacidad de concentración de intensidad de luz en una zona de pequeñas dimensiones, con lo que se pueden realizar surcos en los distintos materiales.
Ventajas:
El grabado láser es seguro. Al contrario de las máquinas grabadoras
mecánicas tradicionales, en los grabadores láser no existen piezas
móviles que puedan herir al usuario.
El grabado por láser es limpio. El grabado por láser es, por tanto, tan
popular, entre otros motivos, porque genera cantos de corte
especialmente limpios, con detalles muy finos.
El grabado por láser es rápido.
El grabado por láser es cómodo, muy fáciles de operar, puedes
combinarse con un programa de ordenador para aumentar la calidad y
precisión del grabado.
Situación del Láser en la sociedad
12
4.1.3. Soldadura:
:
La soldadura por láser consiste en
fundir un material en la junta de
otros para conseguir una unión
permanente, consiguiéndose
concentrando una gran densidad de
energía en un punto para conseguir
fundir el material.
Existen dos tipos de soldadura láser:
- Por conducción: la profundidad de la zona fundida, inicialmente
superficial, aumenta.
- Por penetración profunda: en este tipo de soldadura se consigue
desplazar la zona de mayor temperatura por debajo de la superficie del
material, alcanzándose un mayor rendimiento
Ventajas:
El grabado por láser es rápido.
Mínima zona de influencia del calor, por ello menos deformación.
Elevada resistencia mecánica.
Utilizable con casi todos los metales y sus aleaciones.
Trabajo racionalizado, enorme ahorro de tiempo.
Estructura homogénea.
4.2. Armamentística:
El láser también está presente en el campo de la ingeniería militar donde
está teniendo un gran éxito año tras año. Una prueba de ello es el ejército
Situación del Láser en la sociedad
13
de estados unidos, el cual ya emplea el láser en aplicaciones como el
guiado de misiles balísticos, una alternativa al radar, cegado de las tropas
enemigas e incluso se está empezando a usar el láser como destructor de
blancos, es el caso de Tactical High Energy Laser, un láser capaz de
destrozar blancos en movimiento (morteros, misiles, etc).
También podemos encontrar el láser en defensa civil, donde una vez más
Estados Unidos es pionero en este campo, con objetos que mediante la
emisión de rayos infrarrojos pueden causar gran dolor o quemaduras graves
sin llegar a producir la muerte.
“La foto se trata de una sesión de entrenamiento entre la marina
estadounidense y la compañía armamentística Raytheon. El avión no
tripulado viajaba a 500Km/h y fue derribado en la isla de San Nicolás frente
a la costa de California, el láser capaz de destruir el avión fue emitido desde
un barco de la armada estadounidense”
4.3. Medicina
El láser en la medicina es cada vez más usado al actuar muy
selectivamente sobre la lesión, dañando mínimamente los tejidos
adyacentes. Por eso produce muy pocos efectos secundarios en cuanto a
Situación del Láser en la sociedad
14
destrucción de otro tejido sano de su entorno, además presenta una
esterilización completa al no ser necesario instrumental quirúrgico.
Para clasificar las distintas modalidades del uso del láser en la medicina es
necesario un tratado extenso, puesto que la diversificación en esta materia
aumenta día tras día y ya son prácticamente todas las áreas del organismo
las que pueden ser tratadas con este método.
4.3.1. Odontología
Este es otro campo en el que el
láser está triunfando a un ritmo
vertiginoso, ahora mismo es
prácticamente imposible
encontrar un centro de
odontología en el que no
dispongan de algún tipo de
tecnología láser.
Los alumnos encargados de esta investigación hemos acudido a el
centro odontológico Clínica Dental Ibaseta para realizar una serie de
preguntas relacionadas con la tecnología láser y allí nos han explicado
que el láser es un objeto de
utilización diaria para ellos, ya sea
para la colocación de implantes,
operaciones en las encías,
blanqueamientos dentales,
prevención y eliminación de caries,
para obtener un efecto bactericida o
para la colocación de aparatos
dentales (brakets) entre otros.
Situación del Láser en la sociedad
15
Además nos han hablado de las ventajas que supone la odontología
láser: posibilidad de realizar operaciones únicamente con anestesia
local, gran precisión, la garantía de que no existirán efectos secundarios
ni se dañará ningún otro tejido aparte del que se va a operar y el gran
ahorro de tiempo.
4.3.2. Dermatología
El láser puede eliminar gran cantidad de
defectos de la piel, operado bajo anestesia
local. Son utilizados para rejuvenecimientos
faciales, eliminación de cicatrices y
tatuajes, cambios de tonalidad de piel,
depilación definitiva, etc. Pero todos estos
usos deben estar siempre bajo la vigilancia
de un profesional.
Existen una serie de precauciones a tener en cuenta cuando se quiera
llevar a cabo la depilación láser:
No realizar estando tomando medicamentos fotosensibilizantes.
No llevar a cabo bajo un bronceado reciente
4.3.3. Oftalmología
Las operaciones en los ojos para eliminar irregularidades es algo que
cada día está más presente. Actualmente se puede operar la gran
mayoría de enfermedades oculares:
Situación del Láser en la sociedad
16
Tratamiento de la miopía, hipermetría y astigmatismo.
Cirugía de cataratas.
Tratamiento de la vista cansaba
Tratamientos del glaucoma
Tratamiento de enfermedades de la córnea.
Trasplante de córnea.
Oftalmología infantil.
Cirugía de parpados y vía lagrimal.
Tratamiento de las enfermedades de la retina.
Situación del Láser en la sociedad
17
5. Efectos perjudiciales del láser:
5.1. Clasificación de los láseres por su peligrosidad:
En este primer apartado de este capítulo mostraremos como son
clasificados los láseres atendiendo a su peligrosidad. Según lo seguros que
estos sean encontramos siete clases:
Clase 1: Estos tipos de láser no tienen ningún tipo de riesgo ante un uso
normal. Es muy improbable que causen algún tipo de daño ocular ni
siquiera si se hiciese pasar el haz de luz a través de una lente.
Clase 1M: A este subapartado de la clase 1 pertenecen aquellos láseres
que no tienen ningún tipo de peligrosidad ante un uso normal, pero que si
pueden causar daños oculares al hacer pasar la luz por una lente.
Clase 2: Podrían causar daños oculares, aunque en principio, son
suficientes los mecanismos del láser para evitarlos. El riesgo de padecer
daño ocular aumenta si el operador emplea algún tipo de instrumento
óptico. Aunque en la clase 1 pueden darse, aunque muy raramente y en
unas condiciones concretas, algún tipo de quemadura, es a partir de esta
clase donde estas pueden ser más peligrosas.
Clase 2M: El riesgo de un daño ocular es mucho mayor en este
subapartado de la clase 2, y es segura si se utiliza algún tipo de lente al
mirar directamente a la luz.
Clase 3R: Hay que extremar sumamente la precaución con estos tipos de
láser, la visión directa del haz es potencialmente peligrosa. Pueden causar
daños oculares agudos y crónicos.
Clase 3B: Al igual que en la clase anterior, su visión directa es sumamente
peligrosa, así mismo también lo son las reflexiones (por muy difusas que
Situación del Láser en la sociedad
18
sean) que se puedan producir. Cambien pueden causar daños oculares
agudos y crónicos.
Clase 4E: Esta clase es la más peligrosa de todas, pueden causar tanto
daños oculares como cutáneos agudos o crónicos si existe una exposición
directa o por reflexión. Así mismo pueden también producir incendios.
5.2. Posibles efectos dañinos de las distintas aplicaciones del láser:
5.2.1. Depilación láser:
Los aparatos de depilación láser se encuentran normalmente en las
clases 1 y 2. Existen dos tipos de efectos adversos en la depilación
láser:
CAMBIOS DEL TONO DE LA PIEL
Los dos efectos, relacionados con el cambio del tono de la piel, que se
pueden dar tras una depilación láser son la hipopigmentación y la
hiperpigmentación:
Situación del Láser en la sociedad
19
Hipopigmentación: Consiste en la disminución del nivel de melanina en
la piel, lo que produce el aclaramiento del láser, a diferencia de la
hiperpigmentación, no es reversible.
Hiperpigmentación: Consiste en el aumento excesivo de la melanina
de la piel, lo que produce un oscurecimiento de esta, este problema es
fácilmente reversible.
QUEMADURAS
Aunque son poco comunes, las quemaduras por depilación láser se
producen se producen sobretodo en pacientes con piel más oscura, ya
que la piel más pigmentada absorbe mejor la radiación del láser. A pesar
de que la mayoría de las quemaduras por depilación láser son leves, ha
habido se han dado casos de quemaduras graves.
La mayoría de los casos de quemadura son
el resultado de la depilación láser realizada
por una persona que no cualificada o con
poca experiencia en el procedimiento.
Como no existen normas para la
acreditación de los técnicos de depilación
láser cualificados, los pacientes deben usar
su criterio para evitar posibles efectos
dañinos.
Situación del Láser en la sociedad
20
5.2.2. Industria:
En este campo es indispensable la utilización de elementos de
protección, ya que los láseres utilizados proceden en su mayoría de la
clase 4.
Los láseres utilizados en corte, soldadura y grabado (tres de las
aplicaciones más importantes del láser en este campo) producen, en una
exposición directa, desde daños oculares y quemaduras hasta cortes en
la piel. Estos tipos de láser suelen estar computarizados, ya que son
altamente peligrosos para ser manejados por usuarios.
5.2.3. Computación:
Estos láseres proceden de las dos primeras clases, por lo que su
peligrosidad no es importante. Así mismo, al ser su aplicación más usual
la lectura de CDs y DVDs, las impresoras láser, etc. es muy común que
estos láseres vengan dentro de una carcasa, que disminuye el peligro de
estos aparatos.
En el caso de la apertura de los elementos de protección de algún tipo
de grabadora o lector, este tipo de láser no suele causar ningún tipo de
daño, aunque basta que se den unas determinadas condiciones (como
el desprendimiento de alguna lente) para que cambie el funcionamiento
del láser y, con ello, los efectos que este tiene. De esta forma podrían
producirse daños oculares o pequeñas quemaduras o ampollas con
estos tipos de láser
Como vemos, aunque la mayoría de los láseres suponen algún peligro,
por mínimo que sea, observamos que para que un láser perteneciente a
esta categoría produzcan algún tipo de daño importante sobre nosotros
deben darse un cumulo de situaciones no muy usuales.
Situación del Láser en la sociedad
21
6. Conclusión:
Tras analizar los sectores más importantes en los que el láser es utilizado hoy
en día, los alumnos implicados en este proyecto hemos llegado a la conclusión
de que nuestra hipótesis era cierta, la versatilidad del láser hace que tenga
gran cantidad de aplicaciones. Como hemos llegado a ver, variando los
parámetros del láser se pueden conseguir gran número de haces de luz, las
cuales nos dan multitud de aplicaciones.
Hemos encontrado ciertas dificultades en la realización de este proyecto ante
nuestros mínimos conocimientos sobre física cuántica pero por otro lado nos ha
sido de gran utilidad las diferentes experiencias de laboratorio que hemos
realizado para conseguir entender mejor este campo de la física, mediante la
utilización de un equipo láser del cual disponía nuestro instituto. A si mismo nos
han ayudado también en el campo de la odontología la Clínica Dental Ibaseta.
Aunque la mayoría de la población todavía no se ha dado cuenta, en este
proyecto hemos visto como hoy en día comenzamos a tener dependencia del
láser, al empezar a formar parte de las nuevas tecnologías como los lectores
de CDs, los cuales son cada día más necesarios.
Tras analizar todos los campos del láser hemos llegado a la conclusión que
resulta prácticamente imposible cerrar este trabajo ya que día tras día el láser
se abre a más aplicaciones, no sería raro que dentro de unos años nos sea
imposible realizar una vida normal sin la utilización de la tecnología láser.
Situación del Láser en la sociedad
22
BIBLIOGRAFÍA
http://www.monografias.com/trabajos61/laser-aplicaciones/laser-
aplicaciones2.shtml
http://es.wikipedia.org/wiki/Láser
http://www.infodepilacion.com/
http://www.interempresas.net/MetalMecanica/Articulos/8547-El-uso-del-Laser-
en-la-industria.html
http://www.envapack.com/883/
http://www.iml.es/
http://scielo.isciii.es/scielo.php?pid=S1138-123X2004000500002&script=sci_arttext
http://www.vidadigitalradio.com/laser-medicina/
http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia19/HTML/articulo08.htm