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Aquí podemos ver una presentación sobre el dibujo a utomático
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EL ESCÁNER LÁSER 3D

Observaciones preliminares

Este documento se elabora como anexo a todo el proyecto MAPA, y pretende aclarar lo que podríamos denominar: “todo lo que usted quería saber sobre el escáner láser 3d y no se atrevía a preguntar”.
Evidentemente hemos ilustrado con ejemplos de nuestros trabajos, algunos de los conceptos referidos. Para ver con más detalle dichos ejemplos se recomienda acudir a:
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El presente texto aborda cuatro apartados generales
¼ principios básicos
¼ funcionamiento del escáner láser
¼ tipos de escáneres
¼ el escáner como instrumento de medida

Principios básicos

Para la correcta comprensión del funcionamiento de un escáner láser, y de sus limitaciones, es importante comprender el principio de funcionamiento de un láser: ¿Qué es un haz láser?, ¿cómo se genera?, ¿cómo se detecta?, ¿qué tipos de láseres hay y para qué se usan?.
Empezaremos por los principios ópticos, la definición de la luz láser y su generación.

L.A.S.E.R.
El láser es un dispositivo mecánico-cuántico, que aprovecha la interacción luz-materia para producir un tipo de luz especial, casi monocromática, extremadamente direccional y de alta intensidad. El haz puede tener tamaños desde el de un pelo humano, al de un edificio, potencias desde 10-9 hasta 1020 vatios y emitir en longitudes de onda que van, desde las microondas hasta los rayos X. Los haces pulsantes de luz láser pueden tener energías tan altas como 104 Julios en pulsos tan cortos como 10-15 segundos. Pueden agujerear el más resistente de los materiales o pegar retinas desprendidas en el ojo humano. Y sin embargo, no hay nada mágico en el láser. Es simplemente un tipo de luz, cuyas especiales características pueden entenderse sin un conocimiento profundo de física o matemáticas.
La palabra láser es un acrónimo de Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation, amplificación de luz mediante la emisión estimulada de radiación.
El láser utiliza básicamente dos procesos para amplificar la intensidad de una señal luminosa: la emisión estimulada y la retroalimentación óptica. Así, en su forma más sencilla, un láser consiste en un medio amplificador, en el cual se produce la emisión estimulada, y un conjunto de espejos que hacen pasar el haz de luz repetidamente por el medio.
El medio amplificador debe contener átomos, moléculas o iones, que sean capaces de almacenar energía para posteriormente liberarla en forma de luz. Dicho medio puede ser sólido, líquido o gaseoso (en un láser Neodimio-YAG es un cilindro de Granate de Ytrio y Aluminio con impurezas de Neodimio, en un láser Dye, es una sustancia fluorescente disuelta en metanol, en un láser He-Ne es una mezcla de helio y neón) y amplifica la señal en una cantidad llamada ganancia.
El medio amplificador añade energía al rayo de luz que lo atraviesa, aumentando su intensidad. A este proceso se le denomina bombeo. La energía utilizada en dicho bombeo tiene distinta procedencia. Así, por ejemplo, en los láseres con medio amplificador sólido se suele utilizar otra fuente de luz –bombeo óptico- que puede incluso ser otro láser mientras que en los de medio amplificador gaseoso, se utilizan descargas eléctricas a través del medio.


Además del bombeo, los láseres utilizan lo que se denomina “cavidad resonante”. Dicha cavidad está formada por dos espejos, uno de muy alta reflectividad cercana al 100% (para la longitud de onda del láser), y otro sólo parcialmente reflectante por el que sale la luz al exterior. La cavidad resonante tiene varias funciones: en primer lugar, permite una mayor amplificación del haz al hacerlo pasar repetidamente por el medio amplificador. En segundo lugar, hace que la divergencia del haz disminuya, ya que sólo la luz que viaje en dirección paralela –o casi paralela- al eje de la cavidad permanecerá en ella tras múltiples reflexiones. Y en tercer lugar, purifica espectralmente el haz láser; el medio amplificador ya selecciona las longitudes de onda amplificadas, un estrecho intervalo en torno a una longitud de onda, pero la cavidad, hace una selección posterior, puesto que sólo la radiación de ciertas longitudes de onda permanecen en ella después de varios ciclos de reflexiones, son los “modos” de la cavidad. El comportamiento de la cavidad, es similar al de una cuerda de una guitarra, que sólo vibra con determinadas frecuencias.
De esta forma, tenemos ya caracterizada la luz láser como una luz muy intensa, que viaja sólo en una determinada dirección, y que tiene una determinada longitud de onda (color).
Queda sin explicar, sin embargo, cómo se produce la amplificación del haz de luz. Para ello debemos explicar la interacción luz-materia. Lo haremos sirviéndonos de la visión clásica del átomo: un núcleo cargado positivamente con los electrones, orbitando alrededor de dicho núcleo, en una imitación a nivel microscópico de un sistema solar, siendo el núcleo el Sol y los electrones, los planetas. Como sabemos, a cada órbita se le puede asignar una energía, dependiendo de la masa del objeto que orbita y su distancia a la tierra. En nuestro sistema solar microscópico, sin embargo, los electrones sólo pueden ocupar ciertas órbitas, debido a que la energía que pueden absorber o emitir está cuantizada.


Emisión de un fotón por un átomo al pasar de un estado excitado al fundamental
Cuando un átomo absorbe energía, los electrones se excitan, saltando a órbitas superiores, más alejadas del núcleo y, por lo tanto, más energéticas. El número de electrones que cambia de órbita, y las órbitas implicadas dependen de la energía absorbida por el átomo. De igual forma, cuando los electrones excitados vuelven a su estado fundamental, emiten la energía excedente, en forma de cuantos de luz: fotones. La energía del fotón emitido se corresponde con la diferencia de energía entre las órbitas, y depende de su longitud de onda, a menor longitud de onda, mayor energía. De esta forma, la longitud de onda del fotón, dependerá de la energía asociada al cambio de órbita.
La emisión de fotones por parte de un átomo, es la base de la generación de “luz láser”. Para conseguir las cualidades de la luz láser en los fotones, es necesario controlar su emisión. La emisión de fotones por parte de un átomo excitado puede producirse de forma espontánea o estimulada. Cuando un fotón es absorbido por un átomo, en el cual uno de sus electrones externos está inicialmente en un estado de baja energía, la energía del átomo aumenta, y permanece en este estado excitado por un tiempo típico de 10-6 segundos, antes de volver al estado inicial de forma espontánea emitiendo un fotón.
La emisión espontánea es la forma en la que se emite casi toda la luz que encontramos en nuestras vidas, desde la luz del sol, hasta la del fluorescente de la cocina, y es producida, por el cambio de nivel energético de los electrones del átomo excitado. Dicho cambio de nivel es arbitrario y puede producirse en una o varias etapas, hasta alcanzar el estado base, el estado estable de menor energía.
La emisión estimulada consiste, en provocar la emisión de luz emitida por el átomo excitado irradiándolo con luz de la longitud de onda deseada. En otras palabras, provocamos el salto entre dos niveles energéticos predeterminados, irradiando el átomo con la luz producida por dicho salto. La luz emitida de esta forma, tiene la misma longitud de onda que la luz incidente y está en fase con ella y puede, a su vez, estimular la emisión de otros átomos, produciéndose un efecto acumulativo que amplifica la luz incidente original.
Sin embargo, para que el proceso de emisión estimulada sea el dominante, es preciso tener un gran número de átomos en el estado excitado, de hecho, tener más átomos excitados que en el nivel fundamental. Es lo que se denomina inversión de población”. En el primer láser construido, se utilizaron pulsos de luz provenientes de un flash para excitar a los átomos y producir inversión de población.
Luz como radiación electromagnética
La luz es un tipo de radiación electromagnética, que abarca longitudes de onda desde el nanómetro hasta el milílimetro. De todo el espectro mencionado, incluyendo el ultravioleta y el infrarrojo, consideramos como luz visible, la que presenta longitudes de onda λ entre los 400 y 700 nanómetros.
Normalmente, se denomina “luz” a aquella radiación electromagnética capaz de producir una respuesta visual en el ojo humano. Eso nos limitaría a la porción comprendida, aproximadamente, entre los 400 y los 700 nanómetros. Sin embargo, como el ojo también es capaz de detectar un poco de infrarrojo y ultravioleta, y puesto que muchos animales son sensibles a dichas radiaciones, es frecuente usar el término luz, para referirnos a la radiación ultravioleta (1 nm a 400 nm) y a parte de la radiación infrarroja (700 nm a 2μm).
Aunque existen láseres, que emiten radiación en otros intervalos de radiación, los más comunes emiten en el rango de radiación que hemos denominado “luz”, de ahí que se hable con frecuencia de “luz láser”.

Espectro de radiación electromagnética en función de su longitud de onda

Propagación de la luz
Entender la propagación de un haz de luz láser, es importante para la correcta comprensión de algunas de sus propiedades, y las limitaciones de algunas de sus aplicaciones. Los fenómenos asociados a la propagación de la luz son: reflexión, refracción, absorción, dispersión y polarización.
Cuando en la trayectoria de un haz de luz, se produce un cambio de medio, parte de su energía es absorbida por el material (absorción), parte se transmite a su interior (refracción) y parte es reflejada al medio original (reflexión). La proporción de luz que sufre cada uno de estos procesos, depende de las características del material, básicamente de su índice de refracción, así como el del medio de propagación inicial; las leyes de Fresnel, ofrecen el estudio cuantitativo del comportamiento de un haz de luz en una interfase (superficie de separación de dos medios distintos). Las leyes de Fresnel dan cuenta además, de la posibilidad de un cambio en la polarización de la luz en una interfase. Por otra parte, el haz de luz sufre dispersión al propagarse en un medio con pequeñas partículas en suspensión, como polvo, humo o niebla. Dichas partículas desvían en direcciones arbitrarias partes pequeñas del haz de luz.
Finalmente, la reflexión en circunstancias normales no es estrictamente especular, sino que parte de la luz es desviada en un abanico de direcciones distinta de la especular. De esta forma, un espejo perfecto presentaría reflexión especular, mandando toda la luz en la dirección especular y una superficie lambertiana sería el difusor perfecto, mandando en todas las direcciones la misma cantidad de luz. Los espejos, metales y cristales son mayoritariamente especulares, mientras que los materiales mates son mayoritariamente difusos.

Propagación de la luz en una interfase.



Tipos de láseres
Como se dijo anteriormente, el tipo de medio amplificador, utilizado, define el tipo de láser. Así, los láseres pueden agruparse principalmente en tres grupos, láseres de gas, de estado sólido y de semiconductores, con tres ejemplos en la tabla siguiente.

Medio amplificador
λ principal (nm)
Otras λ (nm)
GAS : Helio - Neón
632.8

SÓLIDO: Neodimio-YAG (Nd-YAG)
1064
266,355,532
SEMICONDUCTOR: GaN/SiC
423
405-425

Según su modo de emisión, los láseres pueden ser contínuos, con una intensidad de luz emitida más o menos constante en el tiempo, o pulsados, con pulsos de alta potencia y de muy corta duración (nanosegundos).
Otro tipo de clasificación de los láseres, está basado en su seguridad. La radiación láser es muy intensa y puede causar daños oculares importantes. Puesto que en el haz láser, toda la luz viaja en la misma dirección, la única posibilidad de verlo en un medio no dispersor, es mirarlo de frente. La focalización en un único punto de la retina de un haz tan intenso produciría daños permanentes. En algunos casos, con láseres que emitan en el ultravioleta, puede ser peligroso también estar expuesto a la luz dispersada por las partículas del aire o el montaje óptico o instrumental. Acorde a este criterio, los láseres se clasifican según la tabla siguiente.

Clase
Descripción
I
Inocuos incluso bajo exposición continuada
II
Láseres de luz visible que pueden causar daño, si se miran directamente por períodos de tiempo prolongados.
IIa
Láseres de luz visible que no deben mirarse. Pueden causar daño si se miran directamente durante mas de 1000 segundos
IIIa
No perjudiciales si se miran momentáneamente. Peligrosos a través de sistemas de lentes focalizadores
IIIb
Dañinos para ojos y piel si se miran directamente
IV
Dañinos para los ojos, incluso bajo dispersión, pueden provocar quemazón en la piel.
Detección de la luz láser
Para la detección de la luz láser se suelen usar fotodiodos, elementos sensores basados en semiconductores, que transforman los fotones incidentes en corriente eléctrica (generando un electrón por cada fotón incidente) de forma proporcional. El tipo de semiconductor utilizado, dependerá de la longitud de onda de la radiación a detectar (silicio para la luz visible, germanio para el infrarrojo).

Aplicaciones generales
La tecnología láser tiene muchas y muy diversas aplicaciones, que van desde los aparatos de consumo presentes en todos los hogares, hasta sofisticados montajes con aplicaciones médicas o militares. Así los lectores de CD y DVD y lectores de códigos de barras, usan haces láser para leer los datos almacenados en dichos soportes, las impresoras láser usan este tipo de luz para crear un “negativo” de la página a imprimir en el rodillo, al que posteriormente se adherirá el tóner, o los cables de fibra óptica, utilizan haces láser, para producir la luz utilizada en dicho sistema de comunicaciones.
Los láseres son muy utilizados en investigación, siendo de especial relevancia su utilidad en espectroscopia, es decir, el análisis de las propiedades de los materiales mediante la transmisión y absorción de la luz.
Láseres de más potencia, se utilizan para hacer cortes limpios y cauterizados en medicina, para aumentar el rendimiento, debido a su precisión en el corte de patrones de telas o, incluso, cortar o soldar láminas de distintos metales.
En las aplicaciones militares, destaca por su espectacularidad, la utilización de haces láser para la destrucción de misiles antes de que alcancen sus objetivos, o la menos interesante del laser sintonizable, utilizado en comunicaciones ultrarrápidas a corta distancia.
Existe un gran número de aplicaciones de los dispositivos láser 3D relacionadas con el diseño (incluyendo Diseño Industrial y aplicaciones varias de Informática Gráfica), ingeniería civil y evaluación de estructuras, ingeniería inversa y prototipado rápido.
También se utiliza en actividades de ocio y entretenimiento (espectáculos de luz, producción de escenas en video holográfico), Visión Computacional y Documentación de objetos 3D de interés patrimonial.
Finalmente, otra de las interesantes aplicaciones del láser es la metrología, para la medida de distancia, posición o velocidad. Su utilización para la medida de distancias de forma rápida y precisa ha dado origen, en primer lugar al LIDAR (Light Detection and Ranging), una utilización del haz láser de forma semejante a los rádares, usado para hacer telemetría y, con posterioridad, a los escáneres láser, como instrumentos de medida de distancias de altísima precisión. De ellos hablaremos a continuación

Hola es mi primera incursión en el mundo del blog, es como si hasta ahora fuera "bligen". Así que si alguno me ve, que entre con amor.