Física del láser: la luz que revolucionó al mundo en Colombia

Pregunta 1 (2 pts) — Calcula la frecuencia de la luz emitida por el láser

1. Conversión de unidades — Convierte la longitud de onda de nanómetros a metros: 632.8 nm = 632.8 × 10⁻⁹ m
   $$\lambda =632.8\times {10}^{-9}\text{m}$$
2. Cálculo de frecuencia — Despeja la frecuencia de la ecuación de onda y sustituye los valores conocidos.
   $$f=\frac{c}{\lambda }=\frac{3.00\times {10}^8}{632.8\times {10}^{-9}}=4.74\times {10}^{14}\text{ Hz}$$

$$4.74\times {10}^{14}\text{ Hz}$$

→ La frecuencia de la luz emitida es 4.74 × 10¹⁴ Hz

Pregunta 2 (2 pts) — Determina la energía de cada fotón en julios

1. Aplicación de la ecuación de Planck — Sustituye los valores de frecuencia y constante de Planck en la ecuación de energía.
   $$E=h\cdot f=(6.626\times {10}^{-34})(4.74\times {10}^{14})=3.14\times {10}^{-19}\text{ J}$$

$$3.14\times {10}^{-19}\text{ J}$$

→ La energía de cada fotón es 3.14 × 10⁻¹⁹ julios

Pregunta 3 (2 pts) — Expresa la energía en electronvoltios (eV)

1. Conversión de unidades — Divide la energía en julios por la constante de conversión a eV.
   $$E_{eV}=\frac{3.14\times {10}^{-19}}{1.602\times {10}^{-19}}=1.96\text{ eV}$$

$$1.96\text{ eV}$$

→ La energía de cada fotón es 1.96 eV

Pregunta 4 (2 pts) — Explica por qué este láser es seguro para tratamientos médicos en comparación con otras fuentes de luz

1. Propiedades de seguridad — La luz láser es coherente (todas las ondas están en fase), direccional (se propaga en una dirección muy precisa) y tiene baja divergencia (no se dispersa fácilmente). Esto permite concentrar la energía en áreas muy pequeñas, reduciendo el riesgo para tejidos circundantes.

→ La luz láser es segura porque su coherencia y direccionalidad permiten concentrar la energía con precisión milimétrica, minimizando el daño a tejidos sanos circundantes.

Pregunta 1 (2 pts) — Calcula el ángulo crítico θ_c para la reflexión total interna

1. Ley de Snell — Cuando θ₂ = 90°, sin θ₂ = 1. Despeja θ_c de la ecuación.
   $$\sin {\theta }_c=\frac{n_2}{n_1}=\frac{1.46}{1.48}=0.9865$$
2. Cálculo del ángulo — Aplica la función inversa del seno para encontrar el ángulo en grados.
   $${\theta }_c=\arcsin (0.9865)={80.6}^{\circ }$$

$${80.6}^{\circ }$$

→ El ángulo crítico es 80.6°

Pregunta 2 (2 pts) — Determina la velocidad de propagación de la luz en el núcleo de la fibra

1. Velocidad en el medio — Usa la velocidad de la luz en el vacío y el índice de refracción del núcleo.
   $$v=\frac{3.00\times {10}^8}{1.48}=2.03\times {10}^8\text{ m/s}$$

$$2.03\times {10}^8\text{ m/s}$$

→ La velocidad de propagación en el núcleo es 2.03 × 10⁸ m/s

Pregunta 3 (3 pts) — Si la distancia entre Bogotá y Medellín es de aproximadamente 240 km, calcula el tiempo que tarda la señal en recorrer esta distancia a través de la fibra óptica

1. Conversión de unidades — Convierte 240 km a metros: 240 km = 240,000 m
   $$d=240000\text{ m}$$
2. Cálculo del tiempo — Usa la fórmula del tiempo con la distancia y velocidad calculadas.
   $$t=\frac{240000}{2.03\times {10}^8}=0.00118\text{ s}=1.18\text{ ms}$$

$$1.18\text{ ms}$$

→ El tiempo de propagación es 1.18 milisegundos

Pregunta 4 (3 pts) — Explica por qué se utiliza el revestimiento en las fibras ópticas

1. Función del revestimiento — El revestimiento con menor índice de refracción crea una barrera que confina la luz dentro del núcleo mediante reflexión total interna. Esto evita pérdidas de señal y permite transmisiones a largas distancias sin degradación significativa.

→ El revestimiento permite la reflexión total interna, confinando la luz en el núcleo y evitando pérdidas de señal en largas distancias.

Pregunta 1 (2 pts) — Calcula la potencia promedio del láser en vatios

1. Cálculo de potencia — Convierte la energía a julios y el tiempo a segundos, luego aplica la fórmula de potencia.
   $$P=\frac{0.100\text{ J}}{0.010\text{ s}}=10\text{ W}$$

$$10\text{ W}$$

→ La potencia promedio del láser es 10 vatios

Pregunta 2 (2 pts) — Si el láser opera durante 5 minutos, calcula la energía total entregada

1. Tiempo total — Convierte 5 minutos a segundos: 5 min = 300 s
   $$t_{total}=300\text{ s}$$
2. Energía total — Multiplica la potencia por el tiempo total.
   $$E_{total}=10\text{ W}\times 300\text{ s}=3000\text{ J}$$

$$3000\text{ J}$$

→ La energía total entregada es 3000 julios

Pregunta 3 (2 pts) — Explica por qué los láseres de CO₂ son ideales para cirugías de tejidos blandos

1. Propiedades del láser de CO₂ — El láser de CO₂ emite en 10.6 μm, que es fuertemente absorbido por el agua en los tejidos blandos. Esto permite cortes precisos con mínima penetración en tejidos circundantes, reduciendo el sangrado y acelerando la recuperación. Además, su longitud de onda es bien absorbida por proteínas como el colágeno.

→ El láser de CO₂ es ideal porque su longitud de onda de 10.6 μm es absorbida por el agua en tejidos blandos, permitiendo cortes precisos con mínima penetración y menor sangrado.

Pregunta 4 (1 pts) — ¿Qué precauciones deben tomar los médicos al usar este láser en pacientes?

1. Precauciones — Los médicos deben usar gafas de protección específicas para la longitud de onda del láser, controlar cuidadosamente la potencia y duración de los pulsos para evitar dañar tejidos sanos, y usar sistemas de enfriamiento para proteger áreas circundantes. También deben asegurar una ventilación adecuada para evitar la acumulación de gases como el CO₂.

→ Precauciones incluyen: uso de gafas de protección láser, control preciso de potencia y duración de pulsos, sistemas de enfriamiento de tejidos circundantes, y ventilación adecuada para gases.

Pregunta 1 (2 pts) — Calcula el área del haz láser

1. Cálculo del área — Usa la fórmula del área de un círculo con el radio calculado.
   $$A=\pi {(0.0001)}^2=3.14\times {10}^{-8}{\text{ m}}^2$$

$$3.14\times {10}^{-8}{\text{ m}}^2$$

→ El área del haz es 3.14 × 10⁻⁸ m²

Pregunta 2 (2 pts) — Determina la intensidad del haz en W/m²

1. Cálculo de intensidad — Divide la potencia por el área del haz.
   $$I=\frac{2000}{3.14\times {10}^{-8}}=6.37\times {10}^{10}{\text{ W/m}}^2$$

$$6.37\times {10}^{10}{\text{ W/m}}^2$$

→ La intensidad del haz es 6.37 × 10¹⁰ W/m²

Pregunta 3 (2 pts) — Si el acero requiere una intensidad mínima de 5 × 10⁸ W/m² para fundirse, ¿es suficiente este láser?

1. Comparación con umbral — El umbral requerido es 5 × 10⁸ W/m². Compara con la intensidad calculada.
   $$6.37\times {10}^{10}>5\times {10}^8$$

→ Sí, la intensidad del láser (6.37 × 10¹⁰ W/m²) es mucho mayor que el umbral requerido (5 × 10⁸ W/m²), por lo que es suficiente para fundir el acero inoxidable.

Pregunta 4 (2 pts) — Explica cómo se controla la precisión del corte en este proceso industrial

1. Mecanismos de precisión — El sistema de enfoque permite ajustar el diámetro del haz para diferentes espesores de material. La velocidad de corte se controla mediante CNC para garantizar cortes limpios. Además, se usan sistemas de refrigeración para evitar deformaciones térmicas en el material.

→ La precisión se controla mediante: sistema de enfoque ajustable, velocidad de corte programable con CNC, y refrigeración para evitar deformaciones térmicas.

Pregunta 1 (2 pts) — ¿Qué significa que un láser sea Clase 1?

1. Definición Clase 1 — Un láser Clase 1 es inherentemente seguro bajo todas las condiciones de uso razonablemente previsibles. Esto significa que incluso si se observa directamente, no puede causar daño ocular ni a la piel bajo cualquier condición de exposición.

→ Un láser Clase 1 es inherentemente seguro: no puede causar daño ocular ni en la piel bajo condiciones normales de uso.

Pregunta 2 (2 pts) — Calcula la dosis de energía recibida por el estudiante si la intensidad del láser es igual al límite MPE

1. Cálculo de dosis — Multiplica la intensidad límite por el tiempo de exposición.
   $$D=(2.5\times {10}^{-3}{\text{ W/m}}^2)(10\text{ s})=2.5\times {10}^{-2}{\text{ J/m}}^2$$

$$0.025{\text{ J/m}}^2$$

→ La dosis de energía recibida es 0.025 J/m²

Pregunta 3 (2 pts) — ¿Está el estudiante en riesgo? Justifica tu respuesta

1. Evaluación — Los láseres Clase 1 tienen límites MPE muy por debajo de los niveles que pueden causar daño. La dosis calculada está dentro de los límites seguros establecidos por normas como la IEC 60825-1.

→ No, el estudiante no está en riesgo porque los láseres Clase 1 están diseñados para ser seguros incluso con exposición accidental.

Pregunta 4 (1 pts) — ¿Qué medidas de seguridad se implementan en estos sistemas de transporte público?

1. Medidas de seguridad — Los sistemas incluyen: encapsulamiento del láser para evitar exposición accidental, señales de advertencia visibles, sistemas de bloqueo automático que detienen el láser si se abre el dispositivo, y pruebas de certificación que garantizan el cumplimiento de normas internacionales.

→ Medidas incluyen: encapsulamiento, señales de advertencia, sistemas de bloqueo automático y certificaciones de normas internacionales.