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El haz aliado

01/02/2006

Láser es un acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. En castellano: amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. Según la Real Academia Española, un láser es "un dispositivo electrónico que, basado en la emisión inducida, amplifica de manera extraordinaria un haz de luz monocromático y coherente". Y también dice que se le llama así a este mismo haz.

Probablemente, a menos que sea usted físico o ingeniero,esta definición no le dirá mucho de lo que es un aparato de estos ni en qué consiste la luz que produce. Sin embargo, lo que seguro que le viene a la mente cuando piensa en el láser es la imagen de un rayo de luz como el que habitualmente se ve en las películas de ciencia ficción.Quédese con esa imagen, porque en realidad es parte de la importancia del láser en su aplicación industrial.

 

Cómo funciona

Para entender, de manera sencilla, cómo se puede producir una luz con éstas características es necesario saber primero de qué manera funcionan los electrones y cómo éstos generan fotones. Cuando un átomo es excitado, hay una variación en los niveles de energía de los electrones. Éstos tienden a volver a su anterior estado (estado fundamental) y, en el empeño, desprenden fotones, que son partículas de luz.

Cualquier fuente de luz, como las bombillas, por ejemplo, se produce mediante este mecanismo en el que los electrones cambian de órbita energética y al volver a su anterior estado, su estado fundamental, emiten fotones. Un láser es un aparato que controla la manera en que esos fotones son emitidos. Para ello, el medio activo del láser (puede ser sólido, como el rubí, gaseoso, como el helio, líquido o tratarse de un semiconductor) se excita a través de descargas eléctricas o de una lámpara (una fuente de radiación). Es lo que se denomina bombeo.

En esa fase, lo que se consigue es excitar a los electrones de los átomos para que emitan fotones, pero éstos se producen aleatoriamente y la radiación que se genera tiene distintas direcciones y longitudes de onda y, por lo tanto, una radiación monocromática incoherente. Es lo que se llama emisión espontánea de radiación y no se distingue de otras emisiones de luz normales, como las de una bombilla. Lo que hace que el láser sea lo que es y tenga esas características que lo convierten en tan especial es lo que se denomina la emisión estimulada de radiación, en la que esos desorganizados fotones se organizan y estimulan a su vez a otros electrones para producir más fotones(amplificación).

Los fotones emitidos tienen una determinada longitud de onda, que depende de la diferencia de energía entre su estado excitado y su estado fundamental. Cuando uno de ellos, con una longitud de onda y energía concretas, encuentra a un átomo que tiene un electrón en el mismo estado excitado, se produce la emisión estimulada. El primer fotón induce o estimula la emisión del segundo y éste toma la misma fase, energía y dirección que el primero. Esto no sólo produce luz coherente y monocroma, sino que además amplifica la emisión de luz porque por cada fotón excitado se produce otro.

La otra parte del láser que hace que sea posible conseguir que la amplificación funcione como debe es su sistema de espejos. En un extremo de la vasija en la que está el medio (un tubo, por ejemplo) hay sendos espejos en sus extremos. Así, los fotones chocan contra el espejo y vuelven en dirección contraria, estimulando en su camino a otros electrones que emiten fotones.Esto hace que cada vez haya más fotones estimulando la emisión de más fotones, y así exponencialmente.¿Cómo salen entonces del láser? Porque uno de los espejos tiene la particularidad de que deja pasar parte de la luz y refleja otra. Aquella que pasa es el rayo o haz de láser.

 

Luz útil

Todo este proceso concluye en una radiación láser con una serie de características que la hacen muy especial. Es monocromática, tiene un solo color, aunque en física monocromático quiere decir que cuenta con una radiación electromagnética de una sola longitud de onda.

Es colimado, es decir, es un haz de rayos paralelos a partir de un foco luminoso y se puede orientar como tal rayo, ya que la radiación del láser se dispersa muy poco comparada con otras fuentes (como una bombilla normal, por ejemplo). Y es coherente: sus electrones se mueven de forma organizada.

Estas características permiten varias cosas. En primer lugar, el haz de un láser puede estar muy concentrado y ser muy fino, lo que le aporta precisión. Además puede ser muy potente, llegando incluso a realizar cortes en superficies.Un láser es posible emplearlo para realizar pequeñas incisiones en un ojo o para cortar o marcar metales, dependiendo de su longitud de onda. Pero también hace posible la lectura de información contenida en un CD o en un DVD.

Esta última aplicación, la lectura digital, no sólo fue la primera del láser en un entorno cotidiano, sino que además es una de las principales utilidades en el mundo de la logística y el almacenaje: el escaneado de códigos de barras.

En la actualidad, los sistemas de lectura de códigos de barras convencionales por láser continúan siendo una alternativa a otros sistemas de identificación, como los que se basan en la radiofrecuencia (RFID), ya que son baratos, hay una masa crítica de infraestructura ya instalada, y su difusión es global. Su funcionamiento es similar tanto si se trata deun lector de mano (una pistola lectora), como si es un escáner fijo. Un láser de diodo emite un haz que es desviado por un espejo que oscila (ver gráfico explicativo).

Al producirse esa oscilación, el haz desviado se mueve sobre la superficie del código de barras. Las zonas negras del código reflejan menos luz que las blancas. Ese reflejo entra de nuevo por la ventana por la que sale el haz principal, desviado por el espejo que gira y desviado de nuevo mediante otros espejos orientados a 45º, de modo que llega a una lente y ésta concentra el reflejo en un fotodetector.

Éste modifica la señal de luz en impulsos eléctricos que codifican la información electrónicamente, y así se recoge por parte de un chip que la transforma en unos y ceros. La información se puede enviar luego a un ordenador central,guardarse, pasarse a otros componentes informáticos para que tomen decisiones sobrelos movimientos de una máquina, etc.

 

Leer sólo a 30 cm

Las pistolas de lectura mediante láser compiten con las basadas en sistemas CCD (en español, dispositivo de cargas eléctricas). El funcionamiento de éstas es muy diferente, ya que se basan en un sensor que actúa como una especie de cámara que lee la imagen del código de barras. El CCD se utiliza, de hecho, para las cámaras digitales, los escáneres ópticos que se emplean con los ordenadores personales y la astronomía.

El desarrollo de los sistemas CCD ha llevado a que hoy tengan una calidad cercana al láser, por lo que la elección de una u otra tecnología se tiene que basar en otros criterios. En concreto, según datos de uno de los fabricantes líderes en este tipo de soluciones, los lectores de láser están indicados para su uso en una distancia de lectura a 30 cm o más.

El CCD es adecuado, sin embargo, cuando la distancia es de 30 cm o menos, o si los códigos de barras están mal impresos o dañados, así como cuando se encuentran bajo filmes de plástico. La mayoría de las aplicaciones (hasta un 75%) pueden ser cubiertas con un lector CCD y éste suele costar un 50% menos que uno láser.

Otros métodos que se utilizan en identificación mediante láser del código de barras son más indicados para aplicaciones que requieran una velocidad alta de lectura, que queden fijos en una posición (en una instalación automática, por ejemplo) y que precisen de una fiabilidad considerable.

Este tipo de aparatos pueden escanear linealmente, es decir, que el código es barrido por un punto de láser que se mueve de un lado a otro, formando una línea o plano por el que pasa el código y se identifica.Hay diversas configuraciones para este tipo de escáner fijo y la utilización de una u otra dependerá sobre todo de cómo se etiquetan las mercancías y de si éstas pueden rotar o moverse en la cinta transportadora que hace pasar la mercancía por el escáner o no, etcétera.

Robotización

La segunda gran utilización del láser en el entorno del almacén tiene que ver con la robotización y los sistemas automáticos. El principio utilizado en el escaneado de los códigos de barras (lanzar un haz y captar su rebote o su reflejo) se puede utilizar para otras cuestiones, como por ejemplo, la telemetría, es decir, la medición a distancia.

La telemetría puede combinar el uso de un láser y un sistema de medición para calcular distancias, velocidad, granulosidad, determinación de defectos, etcétera. Para ello se utilizan láseres de baja potencia, pero que tienen calidad de haz, estabilidad y coherencia. En el entorno del almacén, el cálculo de la distancia es una de las aplicaciones más útiles.

Se puede saber con exactitud la posición de un emisor láser con respecto a un punto concreto gracias a la emisión de un haz. El láser viaja a la máxima velocidad posible, la de la luz (300 millones de metros por segundo, aproximadamente),lo que en la práctica es lo mismo que decir que es casi instantáneo.

Cuando el láser rebota en el objeto, el sistema de telemetría mide el tiempo que se ha tardado entre la emisión del haz y su captación de rebote, y como su velocidad es constante, sólo tiene que dividirla por la mitad del tiempo que ha tardado para saberla distancia a la que se encuentra el objeto. Un sistema de este tipo puede calcular así la posición de un objeto con respecto a otro y hacerlo de manera muy precisa.

La necesaria para que los sistemas automáticos de un almacén, por ejemplo, sepan con la mayor exactitud posible si una paleta está perfectamente en situación para ser recogida por un transelevador. O para comprobar la altura o anchura de una determinada mercancía cuando ésta es variable, como un paquete o una maleta. También para calcularla altura de la carga paletizada

 

Vehículos de Guiado Automático

Para hacerse una idea del nivel de precisión del que se está hablando, se puede recurrir a una medida que se ha establecido con esta técnica: la distancia de la Tierra a la Luna. Para conseguirlo,la misión Apolo 11 dejó en el suelo del satélite un reflector formado por una centena de rincones de cubo (un sistema de tres espejos perpendiculares,que reflejan la luz en la misma dirección que le llega).

Desde la Tierra se lanzó, después, un haz de láser de pulsos dirigido al reflector y se llegó a la medición de que el centro del planeta y el del satélite distan entre sí 385.000 km, con una precisión mayor de una parte por cada 10.000 millones, es decir, de unos pocos centímetros.

Idéntica técnica se utiliza para realizar otras mediciones sobre el astro. Un sistema de escaneado telemétrico también se puede utilizar para medir la velocidad de un objeto con respecto al láser. Para entender cómo funciona es posible usar como caso práctico una aplicación que exprime esta capacidad telemétrica: la pistola de identificación de velocidad de vehículos en carretera. Cuando se dispara un haz contra un coche, se puede saber su distancia. Un escáner de este tipo dispara hasta 1.000 haces de láser infrarrojo por segundo y espera a que se reflejen en el vehículo.

Comparando la diferencia de tiempo entre uno y otro haz se puede saber la velocidad del coche, y sólo son necesarios unos cientos de muestreos–tomados en un tercio de segundo– para tener una medida muy precisa.Tanto los sistemas de posicionamiento, como los de velocidad, se utilizan para una de las aplicaciones más importantes de las instalaciones automáticas actuales, como son los AGV (Vehículos de Guiado Automático).

Se pueden encontrar en configuraciones de todo tipo, para cualquier actividad (paletas, bobinas, planchas, cajas...), capacidad (hasta más de 5.000 kg) y método de transferencia. El AGV debe tener un sistema de guiado automático que le permita conocer su posición y adónde debe desplazarse. Entre las técnicas utilizadas se encuentran el filoguiado, que tiene como inconveniente que hace falta tratar el pavimento; el optoguiado, que no es válido en una planta de dimensiones ajustadas; el guiado por láser y el guiado inercial.

 

Rastrear el almacén

El guiado por láser se realiza mediante la técnica de lanzamiento de un haz y lectura de su reflejo.La forma en que se hace es mediante triangulación (se toma como referencia tres puntos que indican la posición exacta de la máquina). Los puntos de referencia se colocan por el almacén en forma de pequeños cuadrados adhesivos de material reflectante que se pegan a paredes y objetos del recorrido.

Un láser situado en el vehículo rastrea constantemente la instalación a su alrededor en busca de estos puntos de referencia y así puede conocer su posición y el recorrido que debe realizar. La ventaja de esta aplicación es que, al igual que el resto de aplicaciones relacionadas con esta luz, resulta sumamente precisa, algo de extrema importancia cuando se quieren evitar errores, pérdidas de tiempo y, por lo tanto, de competitividad.

Como se puede observar, el láser es una auténtica herramienta de precisión que simplifica y ayuda en el trabajo del almacén. Su importancia, a pesar de los más de 45 años que han pasado desde su invención, continúa estando vigente en las aplicaciones de la logística y el almacenaje y, con la cada vez mayor inclinación por los sistemas automatizados y robotizados, es presumible que tenga mucho tiempo de vida como uno de los mejores aliados de la instalación.

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ALINEAMIENTO Y PLANIMETRÍA

El láser se emplea para otras aplicaciones industriales relacionadas con el almacenaje que, si bien no tienen una aplicación constante en el almacén,sí influyen en su montaje más preciso.Por ejemplo, se utiliza para el alineamiento en obras e instalaciones. Al tratarse de un haz recto y llegar muy lejos sin perder su precisión, es empleado para establecer líneas rectas en la instalación de tubos de canalización (desde el agua algas), excavar túneles bajo tierra y alinear todo tipo de elementos estructurales.

También resulta interesante para la señalización de un nivel de referencia perfecto para la construcción, algo de extrema importancia en la construcción civil de los almacenes, que deben contar confirmes perfectamente planos. Para esta aplicación se usa un láser con un espejo rotor (similar al del escaneado) o vibrador que hace que el haz se desplace de un lado a otro. Como lo hace muy rápidamente,el ojo humano lo percibe como un plano perfecto.

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UN LÁSER QUE PASA POR EL OJO DE UNA AGUJA

 

Dependiendo de la longitud de onda, la potencia necesaria y del pulso empleado, un láser puede ser utilizado para un propósito u otro.Por ejemplo, es posible utilizar los láseres de CO2 para cortar acero y eso es factible porque emiten en la parte infrarroja y microondas del espectro. Como la radiación infrarroja es caliente,un haz de este tipo lo que hace, básicamente,es fundir el metal. En el polo opuesto,se hallan los láseres de diodos, que se pueden encontrar en los punteros o en las impresoras de la oficina, y que pueden ser muy pequeños, tanto como el tamaño del ojo de una aguja.

 

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NIVELES DE PELIGROSIDAD

 

Dependiendo del tipo de láser de que se trate, su uso conlleva un nivel de riesgo mayor o menor. Éstas son sus diferentes clases:

Clase 1: productos láser que son seguros en todas las condiciones de utilización razonablemente previsibles, incluyendo el uso de instrumentos ópticos en visión directa.

Clase 1M: comparten características con la clase 1, pero no son seguros cuando se miran a través de instrumentos ópticos como lupas o binoculares. Por ejemplo, los láseres de los supermercados.

Clase 2: láseres visibles. Los reflejos de aversión natural del ojo a la luz brillante lo protegen en todo momento, aunque se utilicen con instrumento ópticos.

Clase 2M: similar a la clase 2, pero no resultan seguros cuando se utilizan instrumentos ópticos.

Clase 3R: láseres cuya visión directa es potencialmente peligrosa, pero el riesgo es menor y necesitan menos requisitos de fabricación y medidas de control que la clase 3B.

Clase 3B: la visión directa del haz es siempre peligrosa, mientras que la reflexión difusa suele ser segura.

Clase 4: la exposición directa de ojos y piel siempre resulta peligrosa y la reflexión difusa generalmente también. Pueden originar incendios.