Física del láser: descubre el poder de la luz coherente en el

Pregunta 1 (3 pts) — Explica con tus propias palabras qué es la inversión de población y por qué es necesaria para que funcione un láser

1. Definición de inversión de población — La inversión de población es un estado en el que hay más átomos en un nivel energético excitado que en el nivel fundamental o de menor energía. Para que un láser funcione, se necesita crear esta inversión mediante un proceso llamado bombeo óptico o eléctrico.

→ Estado en el que hay más átomos en un nivel energético excitado que en el nivel fundamental, necesario para que ocurra la emisión estimulada.

Pregunta 2 (4 pts) — Calcula la frecuencia $f$ de la luz emitida por este láser de He-Ne

1. Cálculo de frecuencia — Usamos la relación $c=\lambda \cdot f$ y despejamos $f$. Convertimos la longitud de onda a metros: $632.8\text{nm}=632.8\times {10}^{-9}\text{m}$.
   $$f=\frac{3\times {10}^8}{632.8\times {10}^{-9}}=4.74\times {10}^{14}\text{Hz}$$

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

→ $4.74\times {10}^{14}\text{Hz}$

Pregunta 3 (4 pts) — Determina la energía $E$ de un fotón emitido por este láser

1. Cálculo de energía — Usamos $E=h\cdot f$ con el valor de frecuencia calculado.
   $$E=6.626\times {10}^{-34}\text{J·s}\times 4.74\times {10}^{14}\text{Hz}=3.14\times {10}^{-19}\text{J}$$

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

→ $3.14\times {10}^{-19}\text{J}$

Pregunta 4 (4 pts) — Si este láser se usa en un experimento de óptica en el laboratorio de Valencia, ¿qué tipo de coherencia (espacial o temporal) es más importante para mantener un haz estrecho y preciso? Justifica tu respuesta

1. Justificación de la coherencia — La coherencia espacial es crucial porque permite que el haz láser se enfoque en un punto muy pequeño y mantenga su dirección sin divergir significativamente. En un laboratorio de óptica en Valencia, donde se realizan experimentos de interferometría o medición de distancias con precisión micrométrica, la coherencia espacial garantiza que el haz no se disperse y mantenga su intensidad. La coherencia temporal, aunque importante para otras aplicaciones, no es el factor determinante en este contexto.

→ Coherencia espacial, porque permite mantener un haz estrecho y preciso para experimentos de óptica.

Pregunta 1 (4 pts) — Calcula la potencia media $P_{media}$ del láser en vatios

1. Cálculo de potencia media — Usamos $P_{media}=E\cdot f$ donde $E$ es la energía por pulso y $f$ es la frecuencia de repetición.
   $$P_{media}=0.5\text{J}\times 100\text{Hz}=50\text{W}$$

$$50\text{W}$$

→ $50\text{W}$

Pregunta 2 (4 pts) — Si el láser trabaja a una frecuencia de $100\text{Hz}$, ¿cuál es la energía total entregada en $5\text{minutos}$ de operación?

1. Cálculo de energía total — Primero convertimos 5 minutos a segundos: $5\text{min}=300\text{s}$. Luego calculamos el número total de pulsos y multiplicamos por la energía por pulso.
   $$E_{total}=N_{pulsos}\times E=100\text{Hz}\times 300\text{s}\times 0.5\text{J}=15000\text{J}$$

$$15000\text{J}$$

→ $15000\text{J}$

Pregunta 3 (4 pts) — Explica por qué los láseres de CO₂ son ideales para cortar metales en comparación con otros tipos de láseres

1. Explicación de ventajas — Los láseres de CO₂ son ideales para cortar metales porque emiten en una longitud de onda ($10.6\mu \text{m}$) que es altamente absorbida por los metales, permitiendo un corte limpio y eficiente. Además, tienen alta potencia de salida y son económicos de operar en comparación con otros láseres de alta potencia.

→ Emisión en infrarrojo lejano altamente absorbido por metales, alta potencia continua y bajo costo operativo.

Pregunta 4 (3 pts) — Un operario en Sidor afirma que "un láser de 1 kW siempre corta mejor que uno de 500 W". Evalúa esta afirmación con cálculos

1. Evaluación crítica — La afirmación es parcialmente correcta: mayor potencia permite cortar materiales más gruesos o más rápido, pero la calidad del corte depende de múltiples factores. No es una regla absoluta que "siempre" corte mejor.

→ La afirmación es parcialmente correcta pero incompleta; la calidad del corte depende de varios factores además de la potencia.

Pregunta 1 (4 pts) — Calcula la potencia media del láser en vatios

1. Cálculo de potencia media — Usamos la fórmula $P_{media}=E\cdot f$ con los valores dados.
   $$P_{media}=0.5\times {10}^{-3}\text{J}\times 100\text{Hz}=0.05\text{W}$$

$$0.05\text{W}$$

→ $0.05\text{W}$

Pregunta 2 (4 pts) — Determina la energía total entregada durante los $10\text{s}$ de exposición

1. Energía total — Multiplicamos la potencia media por el tiempo de exposición.
   $$E_{total}=0.05\text{W}\times 10\text{s}=0.5\text{J}$$

$$0.5\text{J}$$

→ $0.5\text{J}$

Pregunta 3 (4 pts) — Calcula la dosis de energía por unidad de área (en ${\text{J/cm}}^2$) si el área del haz es de $0.01{\text{cm}}^2$. Compara este valor con el límite de seguridad

1. Cálculo de dosis — Dividimos la energía total entre el área del haz para obtener la dosis por unidad de área.
   $$Dosis=\frac{0.5\text{J}}{0.01{\text{cm}}^2}=50{\text{J/cm}}^2$$
2. Comparación con límite de seguridad — El límite de seguridad es $5{\text{J/cm}}^2$, por lo que la dosis calculada ($50{\text{J/cm}}^2$) excede el límite en un factor de 10. Esto indica que el procedimiento debe ajustarse para reducir la energía por pulso o el tiempo de exposición.

$$50{\text{J/cm}}^2$$

→ Dosis: $50{\text{J/cm}}^2$; Excede el límite de seguridad ($5{\text{J/cm}}^2$) en 10 veces

Pregunta 4 (4 pts) — Explica por qué se usa un láser de argón en esta cirugía y qué riesgos tendría usar un láser de CO₂ en su lugar

1. Explicación de la elección del láser — El láser de argón es ideal para cirugía corneal porque su longitud de onda es absorbida superficialmente, permitiendo cortes precisos sin dañar tejidos profundos. Un láser de CO₂ penetraría demasiado y causaría daño térmico irreversible.

→ El láser de argón emite en UV cercano, absorbido superficialmente por la córnea; el CO₂ penetraría demasiado causando daño térmico.

Pregunta 5 (4 pts) — Si el láser emite $100\text{pulsos}$ en total durante la cirugía, ¿cuál es la energía total entregada?

1. Cálculo de energía total — Multiplicamos el número de pulsos por la energía por pulso.
   $$E_{total}=100\times 0.5\times {10}^{-3}\text{J}=0.05\text{J}$$

$$0.05\text{J}$$

→ $0.05\text{J}$

Pregunta 1 (4 pts) — Calcula el diámetro final $D_f$ del haz láser después de recorrer los $140\text{km}$

1. Cálculo del diámetro final — Sustituimos los valores en la fórmula de divergencia.
   $$D_f=2\times {10}^{-3}+1.4\times {10}^5\times 0.5\times {10}^{-3}=2\times {10}^{-3}+70=70.002\text{m}$$

$$70.002\text{m}$$

→ $70.002\text{m}$

Pregunta 2 (3 pts) — Determina el área del haz final en ${\text{m}}^2$

1. Cálculo del área final — Usamos el diámetro final para calcular el área del haz.
   $$A=\pi {\left(\frac{70.002}{2}\right)}^2=\pi \times {(35.001)}^2\approx 3848.5{\text{m}}^2$$

$$3848.5{\text{m}}^2$$

→ $3848.5{\text{m}}^2$

Pregunta 3 (4 pts) — Si el receptor en Los Roques tiene un área de $0.1{\text{m}}^2$, ¿qué fracción de la potencia transmitida se recibe?

1. Fracción de potencia recibida — Calculamos la relación entre el área del receptor y el área del haz final.
   $$Fracci\acute{o}n=\frac{0.1}{3848.5}\approx 2.6\times {10}^{-5}$$

$$2.6\times {10}^{-5}$$

→ $2.6\times {10}^{-5}$ (aproximadamente 0.0026%)

Pregunta 4 (2 pts) — Explica por qué la coherencia espacial es crucial en este sistema de comunicación

1. Explicación de la coherencia espacial — La coherencia espacial garantiza que el haz láser mantenga su dirección y se enfoque en un área pequeña incluso después de largas distancias, lo que es esencial para que la señal llegue con suficiente intensidad al receptor en Los Roques.

→ Permite mantener el haz estrecho y direccional a largas distancias, esencial para la comunicación.

Pregunta 5 (2 pts) — ¿Qué ventajas tiene este sistema de comunicación por láser frente a las microondas en este contexto?

1. Ventajas del láser — Mayor ancho de banda, menor interferencia, menor consumo de energía, y sistemas más compactos en comparación con microondas.

→ Mayor ancho de banda, menor interferencia, menor consumo, y sistemas más compactos que las microondas.

Pregunta 1 (4 pts) — Calcula la potencia óptica de salida $P_{out}$ del láser

1. Cálculo de potencia de salida — Multiplicamos la potencia de entrada por la eficiencia.
   $$P_{out}=0.35\times 10\text{W}=3.5\text{W}$$

$$3.5\text{W}$$

→ $3.5\text{W}$

Pregunta 2 (4 pts) — Determina la energía de un fotón emitido por este láser

1. Cálculo de energía por fotón — Primero calculamos la frecuencia, luego la energía usando $E=h\cdot f$.
   $$f=\frac{3\times {10}^8}{808\times {10}^{-9}}=3.71\times {10}^{14}\text{Hz}$$
2. Energía por fotón — Usamos la energía calculada para encontrar $E_{foton}$.
   $$E_{foton}=6.626\times {10}^{-34}\times 3.71\times {10}^{14}=2.46\times {10}^{-19}\text{J}$$

$$2.46\times {10}^{-19}\text{J}$$

→ $2.46\times {10}^{-19}\text{J}$

Pregunta 3 (4 pts) — Si el láser opera durante $2\text{minutos}$, ¿cuánta energía óptica total se emite?

1. Energía total emitida — Multiplicamos la potencia óptica por el tiempo en segundos.
   $$E_{total}=3.5\text{W}\times 120\text{s}=420\text{J}$$

$$420\text{J}$$

→ $420\text{J}$

Pregunta 4 (4 pts) — Explica por qué la eficiencia de un láser de diodo es menor al 100% y qué tipos de pérdidas ocurren

1. Explicación de pérdidas — La eficiencia es menor al 100% debido a pérdidas por calor, recombinación no radiactiva, reflexión en las caras del diodo, y electrones que no contribuyen a la emisión láser.

→ Pérdidas por calor, recombinación no radiactiva, reflexión, y electrones no contribuyentes.

Pregunta 5 (4 pts) — Calcula el número de fotones emitidos por segundo por este láser

1. Número de fotones por segundo — Dividimos la potencia óptica entre la energía por fotón.
   $$N_{fotones}=\frac{3.5}{2.46\times {10}^{-19}}\approx 1.42\times {10}^{19}\text{fotones/s}$$

$$1.42\times {10}^{19}\text{fotones/s}$$

→ $1.42\times {10}^{19}\text{fotones/s}$

Pregunta 1 (3 pts) — Propón un tipo de láser y su longitud de onda para este sistema. Justifica tu elección

1. Selección del láser y longitud de onda — Un láser de Nd:YAG con frecuencia doblada ($532\text{nm}$) es ideal porque esta longitud de onda está dentro del rango de absorción de la clorofila y permite detectar sedimentos por dispersión. Alternativamente, un láser de argón con líneas en $488\text{nm}$ y $514\text{nm}$ también sería adecuado.

→ Láser de Nd:YAG con frecuencia doblada ($532\text{nm}$) o láser de argón ($488\text{nm}$/$514\text{nm}$)

Pregunta 2 (3 pts) — Explica qué propiedad del láser (coherencia espacial, temporal, o ambas) es más importante para este sistema y por qué

1. Propiedad clave — La coherencia espacial es la más importante porque permite mantener el haz estrecho y direccional a través del agua, esencial para mediciones precisas de atenuación y dispersión.

→ Coherencia espacial, porque permite mantener el haz estrecho y direccional en el agua para mediciones precisas

Pregunta 3 (3 pts) — Diseña un esquema básico del sistema de detección, incluyendo la fuente láser, el medio (agua), y el detector

1. Esquema del sistema — El sistema incluye: láser ($532\text{nm}$) en boya, haz enfocado en el agua, detector de fotones a distancia conocida, y sistema de procesamiento de señales para analizar la atenuación y dispersión.

→ Láser en boya, haz en agua, detector a distancia conocida, procesamiento de señales para atenuación/dispersión

Pregunta 4 (3 pts) — Si el láser emite pulsos de $1\text{mJ}$ con una frecuencia de $10\text{Hz}$, calcula la potencia media del láser

1. Cálculo de potencia media — Usamos la fórmula $P_{media}=E\cdot f$.
   $$P_{media}=1\times {10}^{-3}\text{J}\times 10\text{Hz}=0.01\text{W}$$

$$0.01\text{W}$$

→ $0.01\text{W}$

Pregunta 5 (3 pts) — Discute dos desafíos técnicos que podrían surgir al implementar este sistema en el Lago de Valencia y cómo los resolverías

1. Desafíos técnicos — 1) Atenuación en agua: usar longitudes de onda con menor absorción y aumentar potencia. 2) Turbulencia: usar estabilización óptica o promediar mediciones.

→ 1) Atenuación: usar $532\text{nm}$ y aumentar potencia; 2) Turbulencia: estabilización óptica o promediar mediciones