Medio activo
Átomos, iones o moléculas capaces de emitir luz. En el He-Ne, es una mezcla de helio y neón a baja presión.
Física · Unidad 3 · Ingeniería en Sistemas Computacionales
La ruta del fotón
Estudio y aplicación de la emisión láser
El láser se utiliza en lectores de códigos, fibra óptica, impresoras y equipos médicos. En esta página explicamos cómo se produce esa luz, qué la diferencia de la luz de un foco y cómo se aplica en la tecnología.
01 · Introducción
¿Qué es un láser?
El láser produce luz con características distintas a las de un foco: una banda muy estrecha de longitudes de onda, una dirección definida y ondas coordinadas. Estas propiedades explican por qué tiene tantas aplicaciones.
Láser es el acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation: amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. En física, “luz” también incluye el ultravioleta y el infrarrojo, aunque no los veamos.
Un láser es un dispositivo que produce un haz de luz con una frecuencia muy definida, poca dispersión y una relación de fase estable. Esa combinación permite utilizarlo para leer un disco, cortar metal, imprimir una hoja o medir una distancia.
Idea principal
El láser no crea luz de la nada: amplifica la energía que ya existe en el medio activo mediante emisión estimulada dentro de una cavidad óptica.
La diferencia con una fuente convencional no es solo “más potencia”. Un foco emite muchas longitudes de onda, en todas direcciones y con fases desordenadas. Un láser emite una banda estrecha, en una dirección preferente y con coherencia.
Mito y realidad
“Todo láser es rojo y visible”. Falso. Hay láseres verdes, violetas, ultravioleta e infrarrojo. El He-Ne de 632.8 nm es rojo, pero un láser de CO₂ emite en el infrarrojo y no se ve.
Tampoco todos los láseres son iguales: algunos son continuos y otros pulsados; unos usan gas, otros cristales o semiconductores. Lo que comparten es el mecanismo básico que se explica en los siguientes apartados.
Fuentes: Nave (s. f.-b); Paschotta (s. f.-d); U.S. Food and Drug Administration (FDA, 2024).
Una fuente convencional
- Muchas longitudes de onda
- Luz en todas direcciones
- Fases desordenadas
Un láser
- Banda estrecha de longitudes de onda
- Haz en una dirección preferente
- Fases coordinadas
02 · Luz y materia
Interacción entre la luz y la materia
Cuando un fotón llega a un átomo pueden ocurrir tres procesos. Uno de ellos, la emisión estimulada, es la base del funcionamiento del láser.
Absorción
Un átomo en el nivel inferior recibe un fotón cuya energía coincide con la diferencia entre los dos niveles. El átomo absorbe esa energía, sube al nivel superior y el fotón desaparece.
Qué cambia: el fotón se consume y el átomo queda excitado.
Emisión espontánea
Un átomo excitado se relaja por su cuenta y emite un fotón. La dirección, la fase y el instante son aleatorios: no hay un fotón que lo provoque. Es lo que ocurre en un LED o en una lámpara fluorescente.
Qué cambia: sale un fotón, pero no está coordinado con otros.
Emisión estimulada
Un fotón con la energía correcta se encuentra con un átomo ya excitado. En lugar de ser absorbido, provoca que el átomo emita un segundo fotón con la misma frecuencia, fase y dirección. Ahora hay dos fotones donde había uno.
Qué cambia: el fotón incidente no se pierde: se suma otro fotón idéntico. Ese es el efecto multiplicador del láser.
Condición para absorber o emitir
Un átomo solo absorbe o emite un fotón si su energía coincide con la diferencia entre dos niveles: E = hf = ΔE. Si la energía no coincide, el fotón no es absorbido.
La energía no aparece de la nada
La emisión estimulada libera la energía que el átomo ya tenía almacenada. El bombeo vuelve a excitar los átomos para que el proceso continúe.
Fuentes: Nave (s. f.-b); Paschotta (s. f.-g).
03 · Funcionamiento
Cómo se produce la luz láser
Un láser necesita un medio activo, una fuente de energía, inversión de población y una cavidad óptica. Si falta alguno de estos elementos, la luz no se amplifica.
Bombeo
Energía externa que lleva a los átomos al estado excitado: una descarga eléctrica, otra luz o una corriente.
Inversión de población
Más átomos en el nivel superior que en el inferior. Sin esto, la absorción gana y no hay amplificación neta.
Cavidad óptica
Dos espejos: uno refleja casi todo y el otro es parcialmente reflectante. La luz pasa muchas veces por el medio y parte sale como haz.
El umbral
Para que haya láser, la ganancia de la emisión estimulada debe superar las pérdidas de la cavidad: espejos imperfectos, dispersión, absorción y la propia luz que sale. Ese punto se llama umbral.
Actividad interactiva
Enciende el láser
Aumenta el bombeo, alinea los espejos y dispara un fotón. Observa qué condición falta para que se produzca el haz y por qué.
Esta actividad representa el proceso de forma simplificada; no reproduce mediciones de un láser real.
Sube el bombeo para excitar el medio activo.
Bombeo
Fotón
Haz de salida
N₂ · nivel superior
N₁ · nivel inferior
Sin inversión
Cavidad desalineada
Láser apagado
Función de la cavidad
La cavidad hace que la luz pase muchas veces por el medio para que la emisión estimulada se multiplique. Si los espejos no están alineados, los fotones escapan y no hay amplificación.
Fuentes: Paschotta (s. f.-f); Nave (s. f.-a); U.S. Food and Drug Administration (FDA, 2024).
04 · Propiedades
Monocromaticidad, coherencia y direccionalidad
La luz láser se describe con tres propiedades. Los láseres reales no son perfectos: son casi monocromáticos, bastante coherentes y muy direccionales.
Monocromaticidad
El láser emite en una banda muy estrecha de longitudes de onda. No es un color perfecto: todo láser tiene un ancho espectral finito, así que en rigor es cuasi-monocromático.
En resumen: una banda de color muy estrecha.
Coherencia
Las ondas mantienen una relación de fase estable. La coherencia espacial se da a través del haz; la temporal, a lo largo del tiempo. Es lo que permite interferencia estable y enfoque fino.
En resumen: las ondas mantienen una relación de fase estable.
Direccionalidad
El haz se dispersa poco y se puede enfocar en un punto muy pequeño. No es un rayo infinitamente delgado: tiene divergencia, pero mucha menor que la de una lámpara.
En resumen: el haz se dispersa poco y puede enfocarse.
Aclaraciones frecuentes
- “Todo láser es perfectamente monocromático”. No: tiene un ancho espectral finito, aunque muy pequeño.
- “Todo láser tiene la misma coherencia”. No: depende del diseño, del modo y de la estabilidad de la cavidad.
- “El haz no se dispersa”. Se dispersa poco; la divergencia existe y crece con la distancia.
| Propiedad | Resumen | Dónde se aprovecha |
|---|---|---|
| Monocromaticidad | Banda estrecha de longitudes de onda | Comunicaciones WDM, sensores, almacenamiento óptico |
| Coherencia | Fase estable en el espacio y el tiempo | Interferometría, holografía, detección coherente |
| Direccionalidad | Poca divergencia y buena focalización | Corte, impresión, LiDAR, lectores de códigos |
Fuentes: Paschotta (s. f.-a); Paschotta (s. f.-e); Paschotta (s. f.-d).
05 · Ejemplo
El láser de helio-neón y la energía de un fotón
El láser de helio-neón es un láser de gas usado en laboratorios y en la enseñanza. Su transición roja de 632.8 nm permite explicar el bombeo indirecto, la inversión de población y la función de la cavidad óptica.
-
1
Se excita el helio
La descarga eléctrica lleva átomos de helio a un estado metaestable de aproximadamente 20.61 eV.
-
2
El helio transfiere energía al neón
En una colisión, el helio pasa su energía a un átomo de neón, que queda en un nivel cercano a 20.66 eV.
-
3
El neón emite por emisión estimulada
La transición del neón a un nivel inferior produce fotones de 632.8 nm. El nivel inferior se vacía rápido y la inversión se mantiene.
-
4
La cavidad amplifica y deja salir el haz
Los espejos hacen que la luz pase muchas veces por el gas. El espejo parcialmente reflectante deja salir el haz rojo.
No confundir
El helio no es el que emite el láser: transfiere energía al neón. El neón es el que produce los fotones de 632.8 nm.
Datos del He-Ne
Mezcla de helio y neón a baja presión, salida continua y potencia típica de 0.5 a 30 mW. Es muy usado en laboratorios, alineación y enseñanza por su haz estable y de buena calidad.
Fuentes: Nave (s. f.-a); Paschotta (s. f.-b); SPIE (s. f.); Thorlabs (s. f.).
Ejemplo resuelto
La energía de un fotón de 632.8 nm
c = λf
E = hf
E = hc/λ
-
1
Convierte la longitud de onda a metros:
λ = 632.8 nm = 6.328 × 10-7 m
-
2
Calcula la frecuencia:
f = c/λ = (2.998 × 108 m/s) / (6.328 × 10-7 m) = 4.74 × 1014 Hz
-
3
Calcula la energía:
E = hf = (6.626 × 10-34 J·s)(4.74 × 1014 Hz) = 3.14 × 10-19 J
-
4
Convierte a electronvoltios:
E = 3.14 × 10-19 J × (1 eV / 1.602 × 10-19 J) = 1.96 eV
Frecuencia4.74 × 1014 Hz
Energía3.14 × 10-19 J
Energía1.96 eV
Es la energía de un solo fotón. El resultado se calcula con el valor nominal de 632.8 nm y la velocidad de la luz en el vacío; en el aire, la diferencia es mínima.
Calculadora
¿Cuánta energía lleva un fotón?
Mueve la longitud de onda o elige un valor típico. El resultado se calcula con las mismas fórmulas del ejemplo.
Rojo visible
- Frecuencia
- 473.8 THz
- Energía
- 3.139 × 10-19 J
- Energía
- 1.959 eV
Ver la sustitución
λ = 632.8 × 10-9 m; f = c/λ; E = hf = hc/λ.
Calculado para el vacío. El color es aproximado; fuera del visible se indica el rango.
06 · Aplicaciones
Aplicaciones del láser
Cada aplicación aprovecha una propiedad distinta. En las siguientes tarjetas, elige la propiedad principal de cada ejemplo y lee la explicación.
Fibra óptica
Internet, centros de datos y telefonía.
¿Qué propiedad es la principal?
La luz se guía por reflexión total interna; la coherencia también ayuda en sistemas coherentes.
Almacenamiento óptico
CD, DVD y Blu-ray.
¿Qué propiedad es la principal?
CD 780 nm · DVD 650 nm · Blu-ray 405 nm. Una λ más corta permite un punto más pequeño.
Impresora láser
Oficina e impresión de documentos.
¿Qué propiedad es la principal?
El láser expone un tambor fotoconductor; el tóner se adhiere y se funde con calor.
Lector de códigos
Supermercado y almacén.
¿Qué propiedad es la principal?
Un haz barre el código y un sensor mide la luz reflejada. Muchos lectores modernos ya usan cámaras.
LiDAR
Autos, drones, mapas y NASA GEDI.
¿Qué propiedad es la principal?
Mide el tiempo de vuelo de pulsos de luz: emite, espera el eco y calcula la distancia.
Sensores e interferometría
Metrología, holografía y sensores de fibra.
¿Qué propiedad es la principal?
La interferencia entre haces permite medir distancias y deformaciones muy pequeñas.
Industria y medicina
En corte, soldadura, marcado, cirugía y tratamientos médicos, la direccionalidad concentra energía en un punto. La potencia y la longitud de onda se eligen según el material o el tejido; no es lo mismo cortar acero que operar una retina.
No todo es láser
Algunos lectores de códigos, impresoras y sensores usan LED o cámaras. El láser no es la única tecnología: es la que mejor controla la dirección, el color y la coherencia de la luz.
Fuentes: Fiber Optic Association (FOA, s. f.); Computer History Museum (CHM, s. f.); Xerox (s. f.); Honeywell (2020); National Aeronautics and Space Administration (NASA, s. f.); National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA, s. f.); Paschotta (s. f.-c); U.S. Food and Drug Administration (FDA, s. f.).
07 · Seguridad
Seguridad en el uso del láser
El ojo puede enfocar el haz láser en la retina, por eso es importante seguir las medidas de seguridad. El riesgo depende de la clase, la potencia, la longitud de onda y el uso del equipo.
| Clase IEC | FDA | Riesgo | Ejemplos |
|---|---|---|---|
| 1 | I | Bajo en uso normal; aumenta con instrumentos ópticos. | Impresoras láser, reproductores CD/DVD |
| 2 | II | Visible; el parpadeo protege, pero no hay que mirar fijo. | Lectores de códigos |
| 3R | IIIa | Riesgo bajo con cuidado; aumenta con instrumentos ópticos. | Punteros láser |
| 3B | IIIb | Riesgo directo para ojos y piel; reflexiones difusas cerca del límite. | Industria e investigación |
| 4 | IV | Riesgo directo y reflejado; puede iniciar fuego. | Industria, medicina, espectáculos |
Riesgos principales
- Ojo: la retina o la córnea pueden dañarse; el riesgo depende de la λ.
- Piel: quemaduras con potencias altas, sobre todo en infrarrojo.
- Fuego: materiales inflamables cerca del haz o de reflexiones.
- Eléctrico: fuentes de alimentación de los equipos láser.
- Humos: vapores y partículas si se corta o marca material.
- Reflexiones: una superficie brillante puede desviar el haz hacia los ojos.
Precauciones básicas
- Nunca apuntes el haz a los ojos ni lo mires directo o reflejado.
- No uses binoculares, lupas ni instrumentos ópticos para mirar el haz.
- Usa gafas adecuadas a la longitud de onda; las gafas de sol no sirven.
- Mantén el haz por debajo del nivel de los ojos y fuera de pasillos.
- Usa enclavamientos, cortinas y señalización; solo personal capacitado.
- No abras lectores de CD/DVD ni impresoras: el producto puede ser Clase 1, pero el interior no.
- No uses punteros con niños o mascotas; no apuntes a aviones.
- Reporta cualquier incidente o exposición accidental.
Un puntero láser no es un juguete
Un puntero de baja potencia puede parecer inofensivo, pero un impacto directo en el ojo o una reflexión pueden causar lesiones. La clase del producto no elimina la necesidad de usarlo con cuidado.
Fuentes: Occupational Safety and Health Administration (OSHA, s. f.-a); OSHA (s. f.-b); FDA (2024).
Actividades de repaso
Preguntas de repaso
Responde las cinco preguntas, comprueba tus respuestas y lee la explicación. Si tienes dudas, consulta el apartado correspondiente.
Aporte del equipo
Actividades para comprender la emisión láser
Además de la explicación, preparamos actividades para poner a prueba lo aprendido y relacionar la física con situaciones reales.
En el laboratorio se puede aumentar el bombeo, alinear la cavidad y disparar un fotón. Si falta alguna condición, la actividad explica cuál es y por qué impide que aparezca el haz. Así, la inversión de población y la cavidad se entienden como parte de un mismo proceso.
También incluimos una calculadora que relaciona longitud de onda, frecuencia y energía, un ejercicio para identificar qué propiedad aprovecha cada aplicación, y un cuestionario con explicaciones.
El modo exposición reúne las ideas principales de cada sección para presentar la página durante la clase.
Nuestro aporte
El laboratorio interactivo, la calculadora y las actividades de repaso convierten los conceptos de la emisión láser en ejercicios que se pueden probar y explicar en clase.
Laboratorio interactivo
Permite modificar el bombeo, alinear la cavidad y comprobar cuándo se produce el haz.
Cálculo de la energía
Relaciona la longitud de onda con la frecuencia y la energía de un fotón en joules y electrónvolts.
Propiedades y aplicaciones
Pone a prueba la relación entre cada propiedad de la luz láser y su uso tecnológico.
Repaso y exposición
Incluye preguntas con retroalimentación y un recorrido breve para presentar el tema.
Integrantes
- [Integrante 1]
- [Integrante 2]
- [Integrante 3]
- [Integrante 4]
Fuentes consultadas
Referencias
Fuentes institucionales y técnicas en formato APA 7, consultadas en noviembre de 2026. No se utilizó Wikipedia como fuente.
- Computer History Museum. (s. f.). 2000: Prototype blue laser disc stores HD video. https://www.computerhistory.org/storageengine/prototype-blue-laser-disc-stores-hd-video
- Fiber Optic Association. (s. f.). Optical fiber. https://www.thefoa.org/tech/ref/basic/fiber.html
- Food and Drug Administration. (2024, 13 de noviembre). Laser products and instruments. https://www.fda.gov/radiation-emitting-products/home-business-and-entertainment-products/laser-products-and-instruments
- Food and Drug Administration. (s. f.). Medical lasers. https://www.fda.gov/radiation-emitting-products/surgical-and-therapeutic-products/medical-lasers
- Honeywell. (2020, 18 de junio). Barcode scanning for logistics during social distancing. https://automation.honeywell.com/us/en/news/featured-stories/productivity-solutions/barcode-scanning-for-logistics-when-social-distancing-matters
- Nave, R. (s. f.-a). Gas lasers. HyperPhysics. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/optmod/lasgas.html
- Nave, R. (s. f.-b). Quantum properties of light. HyperPhysics. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/optmod/qualig.html
- National Aeronautics and Space Administration. (s. f.). Global Ecosystem Dynamics Investigation Lidar. NASA Earthdata. https://www.earthdata.nasa.gov/data/instruments/gedi-lidar
- National Oceanic and Atmospheric Administration. (s. f.). What is lidar? https://oceanservice.noaa.gov/facts/lidar.html
- Occupational Safety and Health Administration. (s. f.-a). Laser hazards. https://www.osha.gov/laser-hazards/hazards
- Occupational Safety and Health Administration. (s. f.-b). OSHA technical manual: Section III, Chapter 6—Laser hazards. https://www.osha.gov/otm/section-3-health-hazards/chapter-6
- Paschotta, R. (s. f.-a). Coherence. RP Photonics Encyclopedia. https://www.rp-photonics.com/coherence.html
- Paschotta, R. (s. f.-b). Helium–neon lasers. RP Photonics Encyclopedia. https://www.rp-photonics.com/helium_neon_lasers.html
- Paschotta, R. (s. f.-c). Laser applications. RP Photonics Encyclopedia. https://www.rp-photonics.com/laser_applications.html
- Paschotta, R. (s. f.-d). Laser light. RP Photonics Encyclopedia. https://www.rp-photonics.com/laser_light.html
- Paschotta, R. (s. f.-e). Monochromatic light. RP Photonics Encyclopedia. https://www.rp-photonics.com/monochromatic_light.html
- Paschotta, R. (s. f.-f). Population inversion. RP Photonics Encyclopedia. https://www.rp-photonics.com/population_inversion.html
- Paschotta, R. (s. f.-g). Stimulated emission. RP Photonics Encyclopedia. https://www.rp-photonics.com/stimulated_emission.html
- SPIE. (s. f.). Helium-neon lasers. Optipedia. https://spie.org/publications/spie-publication-resources/optipedia-free-optics-information/fg12_p82_helium-neon_lasers
- Thorlabs. (s. f.). Helium-neon laser tutorial. https://www.thorlabs.com/helium-neon-laser-tutorial
- Xerox. (s. f.). Laser printing guide and history. https://www.xerox.com/en-us/office/insights/laser-printers
Las citas del texto utilizan el formato autor-fecha de APA 7. Los enlaces se consultaron durante la elaboración de la página.