TEMA 3 FUENTES DE LUZ Y EMISIÓN LÁSER

© E.G.G. DFA III-ESI 2010/11UNIVERSIDAD DE SEVILLA2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS – ÓPTICA (TEMA 3 – Fuentes de luz y emisión láser)

Curso 2010/11Apuntes de Óptica

UNIVERSIDAD DE SEVILLA

© E.G.G. DFA III-ESI 2010/111

TEMA 3TEMA 3

FUENTES DE LUZ FUENTES DE LUZ Y EMISIY EMISIÓÓN LN LÁÁSERSER

Prof.Dr. E. Gómez GonzálezDepartamento de Física Aplicada IIIE.S.Ingenieros - Universidad de Sevilla

Fundamentos de Fundamentos de ÓÓpticaptica

12º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS – ÓPTICA (TEMA 3 – Fuentes de luz y emisión láser)

© E.G.G. DFA III-ESI 2010/11UNIVERSIDAD DE SEVILLA2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS – ÓPTICA (TEMA 3 – Fuentes de luz y emisión láser) 2

Tema 3: Fuentes de luz y emisión láser• 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

Propiedad IntelectualEstos Apuntes, así como el material contenido en ellos, están protegidos por las normas vigentes de Propiedad Intelectual y únicamente pueden 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.

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.


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·νCada λ visible es percibida por el ser humano como un color. En el modelo corpuscular, la radiación emitida está constituida por fotones.

Consideraciones cuánticas

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 espontánea y absorción

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 estimuladay 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.

Emisión estimulada y amplificación


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

Fuentes de luz “convencionales”

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 / …

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.

Inversión de población

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


Fuentes “convencionales”: Tubos de gas (fluorescentes)

[8]


Fuentes “convencionales”: Lámparas halógenas

[12]

Bombillas incandescencia Duración ≈ 1000 horasLuz: amarillenta (3000 K)

Lámparas HalógenasDuración ≈ 2000 horasLuz: blanca – amarilla (2800-3000 K)Consumo: 30% menor


“Nuevas” Fuentes de luz: Lámparas de diodos LED

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

Eficacia luminosa• bombilla incandescencia (60-100 W) ≈ 15 lm/W• fluorescente hasta ≈ 100 lm/W• LED de alta potencia (1 W) ≈ 100 lm/W

• 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 riesgode 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

Otros tipos:• microleds: 20 µm, GaN, 30-550 nm, en arrays

ultraplanos• organic (OLEDs): bajo consumo, montaje sobre soportes

flexibles, dispositivos móviles (teléfonos, pda,…)


“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 blanco-amarillo 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 lmmientras que con bombilla incandescente son necesarios 100 W.


“Nuevas” Fuentes de luz: Lámparas solares

ElementosCúpula acrílicaSensor óptico (detección del sol)

Lente concentradoraPosicionador orientableFibra Óptica de transmisiónSistema 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


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:

• 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.• 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.

LASER = LightAmplification byStimulatedEmission ofRadiation

θ = divergencia angular(muy exagerada)

θ

θ


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.

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.

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

Mod

o C

W

Pote

ncia

(W)

Tiempo

Mod

o P

Ener

gía

(J)

Tiempo

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).

Haz emitido

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

Para transmisión de datos puede modularse la emisión CW pero es preferible usar un láser pulsado.


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, …


Diámetro ~ 0.5 cmLongitud ~ 5 cm

c

[1]

Láser de medio sólido

Rojo

Láser de Rubí

Láser de Nd:YAG

ILD = Injected Laser Diode

(r = 100%)

(r = 99.9%) [1]

Láser de semiconductor

• GaAs: rojo - IRλ ~ 690 / 870 nm, P~50 mWcomunicaciones / imagen alta velocidad

• GaN: azulλ ~405-410 nm, P~30 mWDVD blu-ray disc

• AlGaInP: rojoλ ~635→670 nm, P~220 mWCD-ROM

• AlGaAs: IRλ ~780→830 nm, P~220 mWCD-R/RW

¡OJO! No confundir conLED = Ligth Emitting Diode

Bombeo óptico:Iluminación con luz de una lámpara de Xe (láser de rubí) o de yoduro de tungsteno (láser de NdYAG).


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~ Waplicaciones industriales

• Ar+: λ ~ 515 nm, P~10 Waplicaciones médicas

• He-Cd: λ ~ 442 nm, P~10 mWanálisis ambiental (polución, …)

• CO2: λ ~ 10.2 μm, P~ kWcortes, taladros,


[4]

[1]

Distribución espacial de la energía de un haz láserLa 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 TEM00porque tiene un perfil de intensidad gausiano.

Irradiancia (W/m2) en la sección del hazEn 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

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.

Reflexión especular. θ no cambia Reflexión difusa. θ aumenta mucho.

Incidencia sobre una superficieSegún 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).

2222 W/1000W/106.9... mm

RP

API ≈⋅==

⋅==π


Almacenamiento ópticode información: CD / DVD

normal arañazo polvo polvo grasa detransparente huella dactilar

¡ no tocar !

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 depolicristalino 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.


d

Proceso óptico de lectura / escritura Profundidad y extensión de las marcas en el discoComo 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.

Realimentación para mantener alineamientoPara 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.

Estructura de las pistas ylas marcas de grabación.


Tipos de discos ópticos y capacidad de almacenamiento

M. Fischetti. Investigación y Ciencia, octubre 2007.

Espejo semitransparente

Prismas


Disco magneto-óptico

I↑

I↓ I↑

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.

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.


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 Q-switched (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 riesgosQuímico: 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 kVpueden 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 legalmenteA 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 - proteccionesEN 60825-1:2007 – fabricante, clasificación EN 207:1999, EN 208:1999 – protectores ocularesEN 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.


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.

Criterios de clasificación de los láseres (según su riesgo)


Clase* / POTENCIA / rango de λ Características

Clase 1SEGUROVisible / no visible

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.

Clase 1MSEGURO SIN DISPOSITIVOS DE AYUDA A LA VISIÓN302.5 nm hasta 4000 nm

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.

Clase 2BAJA POTENCIASólo visible

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.

Clase 2MSEGURO SIN DISPOSITIVOS DE AYUDA A LA VISIÓNSólo visible

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.

Clase 3RBAJA /MEDIA POTENCIAVisible / no visible

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.

Clase 3BMEDIA /ALTA POTENCIAVisible / no visible

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.

Clase 4ALTA POTENCIAVisible / no visible

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.


Precauciones y Medidas de Seguridad

• 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, …)

El Etiquetado debe indicar


Tipos (comunes) de protectores oculares

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.

Goggles(gafas “submarinas”)

Full-view spectacles(gafas de campo completo)

Lightweight spectacles(gafas ligeras)

wrap-around spectacles(gafas envolventes)

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TEMA 3 FUENTES DE LUZ Y EMISIÓN LÁSER