15: Láseres, espectroscopia láser y fotoquímica
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La palabra 'láser' es un acrónimo de “amplificación de luz por emisión estimulada de radiación”. El uso de láseres en la ciencia y en la sociedad se ha expandido rápidamente desde su desarrollo a principios de la década de 1960. Los láseres proporcionan a los químicos una herramienta poderosa y versátil para sondear la naturaleza y la dinámica de las especies y reacciones químicas. En este capítulo se discutirán los fundamentos de los láseres y la interacción de su producción hacia la comprensión de las propiedades atómicas y moleculares. Describiremos la generación de luz láser a partir de átomos excitados electrónicamente utilizando el modelo de ecuación de velocidad desarrollado por Einstein. Luego se discutirán diseños y aplicaciones láser modernos.
- 15.1: Las moléculas excitadas electrónicamente pueden relajarse mediante una serie de procesos
- Una partícula en un estado electrónico excitado eventualmente se relajará de nuevo a su estado básico electrónico, pero a menudo hay varias vías de relajación disponibles. Estas vías pueden implicar una combinación de decaimiento radiativo y decaimiento no radiativo, incluyendo un cambio en el estado de espín.
- 15.2: La dinámica de las transiciones se puede modelar mediante ecuaciones de velocidad
- Einstein propuso que los electrones pueden hacer una transición entre los niveles de energía por medio de absorción, emisión espontánea y emisión estimulada. En esta sección, describiremos las tasas de estas transiciones, introduciendo los términos de densidad de energía radiante espectral y las constantes de proporcionalidad llamadas coeficientes de Einstein.
- 15.3: Un sistema de dos niveles no puede lograr una inversión poblacional
- En esta sección, mostraremos que lograr la inversión poblacional en un sistema de dos niveles no es muy práctico. Tal tarea requeriría una transición de bombeo muy fuerte que enviaría a cualquier átomo en descomposición de nuevo a su estado excitado. Esto sería similar a revertir el flujo de agua en una cascada. Se puede hacer pero es muy costoso energéticamente e ineficiente. En cierto sentido, la transición de bombeo tendría que trabajar en contra de la transición láser.
- 15.4: La inversión poblacional se puede lograr en un sistema de tres niveles
- La presencia de un tercer nivel energético en un sistema permite crear una inversión poblacional. Así, un sistema de tres niveles puede actuar como medio de ganancia y puede servir como un láser. En esta sección se describirán los dos posibles mecanismos de láser para un sistema de tres niveles.
- 15.5: ¿Qué es Dentro de un Láser?
- La luz láser es producida por un medio de ganancia dentro de la cavidad óptica del láser. El medio de ganancia es una colección de átomos o moléculas en forma gaseosa, líquida o sólida. Para que tenga lugar el láser, el medio de ganancia debe ser bombeado a un estado excitado por una corriente eléctrica o una fuente de luz intensa, como una lámpara de destellos. Para inducir la emisión estimulada, la cavidad láser debe reflejar la luz emitida en el medio de ganancia, pero también debe permitir que una porción de la luz láser salga de la cavidad óptica.
- 15.6: El láser de helio-neón
- El láser He-Ne fue el primer láser de onda continua (cw) inventado. Pocos meses después de que Maiman anunciara su invención del láser rubí pulsado, Ali Javan y sus asociados W. R. Bennet y D. R. Herriott anunciaron su creación de un láser cw He-Ne. Este láser de gas es un láser de cuatro niveles que utiliza átomos de helio para excitar los átomos de neón. Las transiciones atómicas en el neón producen la luz láser. La transición de neón más utilizada en estos láseres produce luz roja a 632.8 nm.
- 15.7: Aplicaciones modernas de la espectroscopia láser
- La luz láser ofrece valiosas herramientas a los investigadores que deseen utilizar la interacción de la luz con la materia para interrogar sistemas atómicos y moleculares. La mayor parte de la luz láser se caracteriza por su casi monocromaticidad (relativa a la luz de otras fuentes), direccionalidad y coherencia. Esas características se utilizan en la espectroscopia láser moderna.
- 15.8: Los láseres pulsados pueden utilizarse para medir la dinámica de los procesos fotoquímicos
- Las espectroscopias láser resueltas en el tiempo son herramientas poderosas para observar procesos fotofísicos y fotoquímicos en tiempo real con resolución temporal hasta escalas de tiempo de femtosegundos.
Miniatura: Seis láseres comerciales en funcionamiento, que muestran la gama de haces de luz de diferentes colores que se pueden producir, del rojo al violeta. Desde la parte superior, las longitudes de onda de la luz son: 660 nm, 635 nm, 532 nm, 520 nm, 445 nm y 405 nm. Fabricado por Q-line. (CC BY-SA 3.0 Unported; Sariling gawa vía Wikipedia)