Otras carreras Interacción entre dos haces de luz/ láser

[raorcar]

Hola buenas, en primer lugar saludos a todos
Soy estudiante de ingeniería y apasionado de la física desde hace muchos años, he estado avanzando en un proyecto y me encuentro ante el siguiente problema.

Me gustaría saber si es posible que dos haces de luz que coinciden en un punto perpendicularmente, en este punto que se encuentran los 2 haces la intensidad se incremente (se sume), de forma que el punto en el que coinciden sea visible (intensidad superior) y los haces no sean posibles (intensidad inferior)

El origen de haces no importa el que sea (láser, luz, etc...), me gustaría saber también si este efecto tiene un gasto muy elevado y sobre todo como es lógico si es posible gracias

[visitante20160513]

Re: Interacción entre dos haces de luz/ láser

Debes pensar que para que un haz de luz sea visible debe impactar el la retina del ojo de quien lo ve. No basta con que la intensidad del campo sea máxima o mínima en ese punto. El fenómeno que describes se puede reproducir si los haces cumplen ciertas condiciones, pero debes especificar claramente que debemos entender por visible.

Por otro lado debes tener en cuenta que las longitudes de onda del espectro visible oscilan alrededor de los $500\ nm$, media micra, lo que quiere decir que para controlar la separación entre dos puntos pico y valle deberías usar unas herramientas muy precisas puesto que $1m = 10^9nm$, y no estoy seguro de que la tecnología para trabajar con esa precisión exista hoy en día, aunque desde luego si existe será muy cara.

Salu2, Jabato.

[pod]

Re: Interacción entre dos haces de luz/ láser

Me gustaría saber si es posible que dos haces de luz que coinciden en un punto perpendicularmente, en este punto que se encuentran los 2 haces la intensidad se incremente (se sume), de forma que el punto en el que coinciden sea visible (intensidad superior) y los haces no sean posibles (intensidad inferior)

A no ser que utilices dos haces de luz coherente, la intensidad de ambos rayos siempre se sumará. Si usaras dos fuentes de luz coherentes (lo cual a la práctica significa utilizar una única fuente de luz, "separando" el haz en dos mediante algún sistema óptico) entonces generarías un patrón de interferencia que intercalaría nodos (zonas de intensidad cero) con vientres (zonas de intensidad cuádruple, dado que se suman las amplitudes); y como dice Jabato esos vientres y nodos estarían separados entre si por distáncias del orden de la longitud de onda. No obstante, si utilizas dos fuentes de luz independientes de cualquier naturaleza, la fase varía de forma aleatoria y puedes considerar que la intensidad se suma tal cual.

Ahora bien, lo que sí es cierto es que por mucho que ilumines un punto concreto con dos haces, no verás nada si no hay nada en ese punto que desvíe la luz hacia tus ojos. No se si has tenido la oportunidad de jugar con un láser (en realidad, no tiene por qué ser un laser; cualquier fuente de luz suficientemente colimada tiene el mismo efecto). El haz de luz no es visible, hasta que choca contra la pared o el suelo. El efecto de ver el rayo como en algunas películas no es real. Se puede simular, por ejemplo, si hay humo o vapor en el ambiente, las partículas del humo dispersan parte de la luz del láser hacia tus ojos, y eso hace que sea visible en su trayectoria. Con esta estrategia, por ejemplo con una máquina de vapor, lo que dices podría ser factible: necesitarías dos haces tan tenues que su trayectoria por ese vapor sea tan casi inapreciable, excepto donde se sumen las intensidades de ambos rayos.

Ahora bien, ten en cuenta que la respuesta del ojo es logaritmica, no lineal. Eso quiere decir que el doble de intensidad no implica el doble de respuesta visual, sino mucho menos. Eso significa que el punto de intersección será poco más visible que la trayectoria. A lo mejor tienes que utilizar más de dos fuentes de luz.

Otra opción que tienes es poner el vapor o humo sólo en la zona donde quieres que se vea. Ésto es lo que hacen los típicos espectáculos donde se proyectan imágenes sobre agua: una especie de fuente crea una cortina de agua suficientemente fina, sobre la que se envía la luz para que las gotitas de agua desvíen la luz proyectada hacia los ojos de los asistentes. Yo he visto este tipo de espectáculos en port aventura y en algún pueblo turístico de Mallorca, por ejemplo.

En resúmen, lo que dices se puede hacer, por tienes dos cosas a resolver: 1) desviar la luz en la intersección hacia los ojos de los visitantes para que ese punto sea visible, 2) añadir suficientemente luz para que la intersección sea significativamente más brillante que los haces en si.

[Breogan]

Re: Interacción entre dos haces de luz/ láser

Hola:

No se exactamente cual es el experimento al que se esta refiriendo raorcar, pero por los comentarios anteriores parece que todo estaría referido a proyectar una imagen en el espacio sin pantalla.

Las siguientes expresiones:

.....Ahora bien, lo que sí es cierto es que por mucho que ilumines un punto concreto con dos haces, no verás nada si no hay nada en ese punto que desvíe la luz hacia tus ojos. ......
....Con esta estrategia, por ejemplo con una máquina de vapor, lo que dices podría ser factible: necesitarías dos haces tan tenues que su trayectoria por ese vapor sea tan casi inapreciable, excepto donde se sumen las intensidades de ambos rayos.,,,,,

En resúmen, lo que dices se puede hacer, por tienes dos cosas a resolver: 1) desviar la luz en la intersección hacia los ojos de los visitantes para que ese punto sea visible, 2) añadir suficientemente luz para que la intersección sea significativamente más brillante que los haces en si.

me hicieron imaginar una posible solución, desde luego que con muchos huecos en ella debido a mi escasez de conocimientos.

Sin mas introducción paso a explicarla, con mas preguntas que respuestas:

Supongamos que con varios láser de alta energía (invisibles al ojo humano, y de la energía adecuada) excitamos las moléculas del aire en un punto del espacio y sobre este y en forma simultanea o ligeramente diferida proyectamos luz visible, podría ser parte de la solución?
Preguntas: el gas excitado de esta manera cambia sus propiedades ópticas?, es posible que este punto al ser iluminado con un láser de luz visible refleje dicha luz, volviéndose visible? de suceder esto, el tiempo que permanece excitado este punto luego de cortar la excitación sera lo suficientemente corto para permitir un refresco de la imagen para que no se perciban parpadeos u otros efectos ópticos?

Suerte.

[Richard R Richard]

Re: Interacción entre dos haces de luz/ láser

Han despertado mi curiosidad.

La primer imagen mental que me hice de un objeto real que se fabrica con una técnica similar, son las impresiones de imágenes en plástico transparente como las que se ven aquí.

La suma de amplitudades de las ondas se puede dar, pero el principal inconveniente que le veo para al experimento que desea raorcar es lograr la visibilidad, para ello como dice pod debe incidir sobre algo( un medio material, no vacío) y que la luz provenga de una fuente que no varíe en frecuencia, osea de una misma fuente separada mediante cristales o espejos (como los del experimento de Michelson y Morley), cuanta mayor cantidad de divisiones del haz menos se lo vera incidir , pero mas difícil sera enfocarlos a todos al mismo punto, o sea lograr un punto donde todos los haces se corten y estén en fase , pues no debe hacer diferencia de distancias en la trayectoria de cada haz o o la diferencia debe ser exacta a un múltiplo de su longitud de onda.

Me hago casi las mismas preguntas que Broegan

Justamente por desconocimiento no se si existe una intensidad umbral o si es posible que en la realidad suceda la excitación de las moléculas de oxígeno o nitrógeno del aire a presión atmosferica normal, para que en ese punto dada la suma constructiva de todos los haces, les provoque un cambio físico, que haga que radien luz visible al ojo humano.

Imagino que si a estas moléculas les podría suceder algo similar a una ionización o un proceso similar, que cuando vuelvan al estado de menor energía lo hagan radiando al medio y entonces alguna emisión pueda así obtenerse, si es radiación electromagnética en el ancho de banda visible lo obviamente también lo desconozco.

La energia de Primera de ionización del oxigeno es 1313,9 kJ/mol y de nitrogeno 1402,3 kJ/mol

La luz emitida por iones de nitrógeno ionizado tiene $\lambda$ 658.4 nm y el oxígeno doblemente ionizado 500.7 nm. (dato sacado de emisión de nebulosas)

[Julián]

Re: Interacción entre dos haces de luz/ láser

Buena propuesta esta última pero le veo un inconveniente, las formas de emisión de radiación es por temperatura, siendo que en el visible se producen debido a que es tal la agitación de las partículas que le transmiten dicho momento al electrón y su número cuántico principal o secundario para luego decaer emitiendo un fotón. Pero que no creo que llegar a estas temperaturas sea práctico ya que son altas. Y la otra es luminiscencia, ya sea por un proceso químico o por la interacción del átomo con un fotón para luego retrasmitirlo. A este último se refieren, pero en general el fotón que es transmitido es el que fue absorvido, es decir, si exitas con un fotón infrarrojo luego se va a transmitir el infrarrojo porque el electrón cae al nivel energético más bajo que desocupó y como sabemos si aumentamos el potencial este se va a equilibrar y más si hay un estado desocupado pero y doble pero he escuchado de materiales que absorven un fotón y luego retransmiten uno de menor energía, es decir, se podría excitar con ultravioleta y luego obtendrías luz visible pero no me acuerdo como se llamaban estos materiales y este efecto pero estoy 100% seguro que los gases del aire no. El efecto inverso, sería el tan famoso y buscado transistor fotónico pero por supuesto para obtener radiación de mayor frecuencia que la obtenida hay que sacar energía de algún otro lado.

Me gustaría saber si es posible que dos haces de luz que coinciden en un punto perpendicularmente, en este punto que se encuentran los 2 haces la intensidad se incremente (se sume), de forma que el punto en el que coinciden sea visible (intensidad superior) y los haces no sean posibles (intensidad inferior)

No es posible, ya sea que sean coherentes o no, siempre los haces pasarán uno entre otros, interfiriendo si son coherentes pero siguiendo de largo. Para poder verse como te han dicho tienen que reflectarse y llegar al ojo.

[Breogan]

Re: Interacción entre dos haces de luz/ láser

Hola:

Disculpas por la demora. Aunque raorcar parece ausente del hilo, este me parece interesante como para seguir comentando.

No creo haberme explicado bien (o yo no alcanzo a entender vuestras respuestas), pero la idea que expuse previamente se orientaba a usar las moléculas del aire, excitadas previamente con un láser de alta energía como pantalla donde proyectar la luz visible.

Para explicar un poco mi idea, y como mi conocimiento en este tema es extremadamente básico, me gustaría que me permitan usar el modelo básico de Bohr del átomo de Hidrógeno para intentarlo. Voy a usar, si no se enojan, solo los niveles de energía correspondientes a los distintos valores de su numero cuántico principal n.
Voy a tomarme la licencia de usar un gas de Hidrógeno monoatomico como base de la explicación, pues desconozco totalmente los niveles de energía del H2.

Supongamos un recipiente lleno de este gas, que se encuentra en su estado base, por este gas hacemos pasar un haz de láser de 121,6 nm. Como consecuencia de este y dependiendo de su intensidad, existirá un equilibrio entre átomos en su estado base (n=1) y átomos en su 1º estado excitado (n=2). Este equilibrio es dinámico, la densidad de átomos excitados se mantiene constante aunque en todo momento haya átomos que cambien de estado, los átomos que pasen del estado excitado al base emitirán un foton, pero estos no serán visibles porque tendrán la misma frecuencia del foton del laser.

Si en un punto del espacio hacemos coincidir varios lasers de este tipo, en dicho punto la densidad de átomos excitados sera mayor que en las trazas de dichos lasers, no tengo ni idea en que proporción.

Ahora sobre este punto hacemos incidir un laser de 486,3 nm (color ciano), los átomos que están en su estado base no pueden absorberlos y resultan transparentes. Pero los átomos en su 1º nivel excitado podrán absorberlos y los que absorban estos fotones pasaran al 3º nivel excitado (n=4) y en este punto tendremos un nuevo equilibrio dinámico, que consistirá en procesos de excitación y des-excitación de los atomos.

Mirando solo los procesos de des-excitación vemos que se pueden producir varios, paso a enumerarlo indicando sus longitudes de onda:

$n_1$	$n_f$	$\lambda$ (nm)	Color
4	3	1676	Infrarrojo
4	2	486,3	Ciano
4	1	97,3	Ultravioleta
3	2	856	Infrarrojo
3	1	102,6	Ultravioleta
2	1	121,6	Ultravioleta

Se ve que la única transición visible es la que parte de n=4 y termina en n=2 (color ciano), los fotones emitidos en las otras transiciones son invisibles para el ojo humano, por lo cual el punto se vera de este color.
Carezco de los conocimientos para poder sugerir el resultado de la luminosidad de este punto, dependerá de la probabilidad de cada una de estas transiciones.
Al apagar alguno de los laseres, el punto dejara de estar iluminado.

Los niveles de energía citados pueden contener algún error, pero básicamente la idea es esta.
También puede ser que los niveles de energía de las moléculas de O2 y N2 (las mas abundantes en el aire) no permitan hacer esto, o que el numero y tipo de colores pasibles de ser usados de esta forma sea limitado, no lo se.

s.e.u.o.

Suerte

[pod]

Re: Interacción entre dos haces de luz/ láser

No creo haberme explicado bien (o yo no alcanzo a entender vuestras respuestas), pero la idea que expuse previamente se orientaba a usar las moléculas del aire, excitadas previamente con un láser de alta energía como pantalla donde proyectar la luz visible.

Para que ésto funcionara tendrías que buscar una sustancia con una transición muy similar a la energía del rayo láser (para que la excitación sea posible), y que el estado donde lleva la transición pueda decaer en otro que sea visible.

Esta excitación se dará en toda la trayectoria del rayo en el medio de dicha substancia, no sólo en la intersección de los rayos.

[Julián]

Re: Interacción entre dos haces de luz/ láser

Al parecer como les había dicho antes es posible usando laser de alta energía y por lo tanto longitud de onda menor al visible en cortos periodos de tiempo, de manera tal que ionizan el aire.

http://www.popsci.com/secret-interac...dom=fb&src=SOC

Esta excitación se dará en toda la trayectoria del rayo en el medio de dicha substancia, no sólo en la intersección de los rayos.

Lo que me parece curioso es como es posible que en todo el trayecto del laser en un plano específico parece formarse la imagen. Por supuesto esta información no la van a dar ya que lo estan desarrollando. Pero en el artículo dice que usan varios cosas más además del laser. Como el efecto de la luz es por plasma por lo tanto es por termoluminiscencia y quizás hacen confluir 2 o mas haces del laser (como lo dijo el compañero al principio) en un punto de manera que sin importar que transcición electrónica realicen el efecto buscado es el calor y existen laser. Quizas haya la división del haz principal en varios secundarios que convergerían en un volumen pequeño. En la actualidad de muy alta potencia con tiempos de duración como el que mencionan ahi, es más existen laser de 1 TW "teravatios", que por supuesto no creo que sean ese el que usen porque es un peligro.
Y porque igualmente no se encendería en plasma todo el trayecto del rayo? Pues son laser de nano o femto segundos, si multiplicamos la potencia por el tiempo del laser tenemos la energía , la cual no alcanzaría para ionizar el aire salvo donde confluyen los haces.

http://www.theverge.com/2012/4/24/29...att-laser-test

[raorcar]

Re: Interacción entre dos haces de luz/ láser

Hola buenas

En primer lugar agradecer a todas las personas que han participado en este hilo, he estado ausente por desconocimiento de las nuevas entradas.
He leído con detenimiento todas vuestras respuestas y me he documentado en los conceptos que no entendía.
Deciros que actualmente que este mismo proyecto con ayuda económica y de los profesores de la UPV se ha estado desarrollando, enfocado de una forma educativa para todos los públicos no profesional (puesto que aún continúo mis estudios) pero con afán de investigar y conseguir el propósito.
Partimos de cosas más básicas (estudio de los diferentes haces pantallas de vapor, etc) para quien quisiera apuntarse y actualmente estámos un grupo de alumnos con la ayuda y asesoramiento y participación de profesores buscando nuevas soluciones y abarcando este problema que tanto nos apasiona.
Una vez dicho todo esto matizar mi pregunta inicial. Realmente la cuestión que propuse y el objetivo final es con seguir un punto luminoso en el "aire" que contiene las partículas que hacen que la luz sea reflejada y por tanto visible para el ojo humano pero descartando el introducir partículas (p.ej. vapor) por que buscamos rapidez puesto que intentamos que esos puntos que se iluminen se vayan alternando unos y otros para crear imagenes. Lo que estábamos viendo ahora es cogeremos la idea de separar un haz en muchos e intentaremos unirlos en un punto (gracias por la aportación). Y por último habíamos pensado en si cierto tipo de ondas como los ultrasonidos podrían interactuar con la luz o alterar el medio (el aire) para crear el efecto deseado. En cuanto los aportes de excitar el medio por desgracia no creemos que este a nuestro alcance pero si alguien tuviera alguna idea de conseguirlo relativamente económico seria genial.
Y terminando disculpas por la extensión del texto pero lo creía conveniente para explicar todos los acontecimientos que han sucedido desde el inicio del hilo y por aclarar el concepto planteado, finalmente despedirme agradeciendo de parte de nuestro grupo de óptica aplicada.