Rayos Laser

Rayos Lacer

El rayo láser es un tipo especial de luz que posee unas características físicas especiales que permiten su uso en aplicaciones específicas. Aunque determinados modelos de generadores de rayos láser puedan quemar o fundir objetos, ésta no es la principal utilidad que se les puede dar. El láser se emplea como instrumento para transmitir información, para grabación y recuperación de datos, música e imágenes en los discos compactos, en giróscopos para aviones, para fabricación de circuitos integrados y en medicina como bisturí cauterizante.

La tecnología empleada en el diseño y construcción de dispositivos láser se basa en un fenómeno físico conocido como emisión estimulada de radiación. Este tipo de emisión fue enunciado por primera vez en 1916 por Albert Einstein, que definió las bases teóricas por las que se regiría dicha emisión.

Pero no fue hasta 1928 cuando se detectó la primera radiación de este tipo. Por aquella época todavía era considerada una curiosidad científica sin aplicación práctica.

El primer dispositivo que se construyó utilizando el concepto de emisión estimulada de radiación fue el máser (iniciales de «microwave amplification by the stimulated emisión of radiation» --«amplificación de microondas por la emisión estimulada de radiación»--). El sistema empleaba un haz de moléculas que se separaba en dos grupos, moléculas excitadas y moléculas no excitadas.

Las moléculas excitadas eran empleadas para emitir microondas en una cámara de resonancia diseñada para favorecer dicha emisión. Este máser fue diseñado y construido por Charles H. Townes, de la Universidad de Columbia, en 1953, aunque simultáneamente y de forma independiente, los doctores Aleksander M. Prokhorov y Nikolai Basov, del Instituto de Física Lebedev de Moscú, publicaron un estudio teórico de las condiciones requeridas para que un dispositivo de este tipo funcionara.

Una vez obtenido el máser, los físicos empezaron a estudiar el método de producir el mismo tipo de radiación estimulada en otras zonas del espectro, como la de la luz visible, cuyas aplicaciones prácticas fueran de interés. Charles H. Townes entró a trabajar en los laboratorios de investigación de la prestigiosa compañía Bell (después llamada AT&T) y junto con Arthur L. Schawlow publicó un documento en 1958 en el que definía las diferencias principales que tenían que existir entre un máser convencional y el que ellos denominaban «máser óptico».

Éste no era otro que el láser actual. Pero este nombre (iniciales de «light amplification by the stimulated emission of radiation» --«amplificación de luz por la emisión estimulada de radiación»--) le fue dado por Gordon Gould, estudiante de la Universidad de Columbia que hizo sus propios estudios independientes a la vez que Townes y Schawlow, en 1957.

Una vez establecidos los conceptos teóricos, se inició la carrera para construir el primer láser. Por un lado, Gould, en unión de una compañía denominada TRG, consiguieron un contrato del Pentágono para construir un láser con aplicaciones militares, mientras que Schawlow realizaba otras investigaciones por separado.

En ambos casos, se consideraba que el material base para producir la emisión estimulada de luz debía ser un gas. En cambio, Theodore H. Maiman, físico que trabajaba en los laboratorios de investigación de Hughes, empezó a trabajar con cristales de rubí sintéticos. Y en 1960 presentó el primer láser de la historia, que constaba de un cristal de rubí, que en sus dos extremos poseía espejos y que se activaba por medio de una lámpara de flash produciendo un fino haz de luz roja.

A partir de ese momento, el desarrollo del láser empezó a acelerarse vertiginosamente; el primer láser que empleaba gas (una mezcla de helio y neón) fue producido en 1960 por Ali Javan y dos compañeros de los laboratorios Bell. El año 1962 fue testigo de una carrera entre grupos de investigación de General Electric, IBM y de los laboratorios Lincoln del MIT (Instituto de Tecnología de Massachussetts) para producir un diodo láser, obteniendo los tres resultados casi simultáneamente. En 1964 se diseña uno de los láseres de potencia media más comunes a partir de entonces, el denominado Neodimio-YAG.

En las últimas décadas las investigaciones se centraron en el desarrollo de láseres de rayos X. Este tipo de dispositivos tienen aplicaciones principalmente militares, por lo que no se sabe mucho sobre su funcionamiento, aunque su característica más llamativa es que la fuente de excitación no es la luz de un flash o una descarga eléctrica, como en otros modelos, sino una explosión nuclear, ya que es la única fuente abundante y rápida de rayos X.

Ondas y partículas

Toda la materia se compone de átomos, que a su vez se componen de tres partículas básicas: electrones, protones y neutrones. Los electrones tienen una masa muy pequeña y carga negativa; los protones y neutrones poseen aproximadamente la misma masa, pero mientras los protones tienen carga eléctrica positiva, los neutrones no tienen carga. Cualquier elemento químico, hierro, oxígeno, carbono, etc. y los compuestos que se obtienen juntando estos elementos, están constituidos por combinaciones de estos tres tipos de partículas.

El concepto clásico de la física de partículas define, además de las tres partículas elementales que se acaban de citar, las ondas electromagnéticas. Dicho concepto define a las ondas como portadoras de energía que no poseen masa, sino una frecuencia de oscilación que varía en función de la energía que llevan; dicha dependencia se establece con la fórmula E = h · f, donde f es la frecuencia de la onda electromagnética, E la energía que lleva y h la denominada constante de Planck. Según esta concepción clásica, las ondas y las partículas se hallan perfectamente diferenciadas. La luz sería una onda, con una frecuencia muy elevada y sin masa. Esta diferencia dejó de existir con la aparición de la física cuántica, que definió la teoría onda-corpúsculo, unificando los dos conceptos.

Según la teoría onda-corpúsculo, toda partícula, independientemente de su tamaño y otras características físicas, puede considerarse como una onda electromagnética o como una partícula física. Por ejemplo, los electrones se difractan al pasar por una rendija de forma similar a la luz, pero también colisionan unos con otros como si fuesen partículas. Según la física convencional, la energía que lleva una partícula en movimiento, no sometida a ningún campo, es su energía cinética E = 1/2 m · v2. Igualando esta fórmula con la relación de Planck dada anteriormente, se establece una relación entre la masa, la velocidad y la frecuencia de la onda-corpúsculo, que es: m = 2 h f / v2.

La teoría también puede aplicarse a lo que convencionalmente se consideran ondas. La luz, por tanto, puede considerarse también una onda-corpúsculo. Como onda electromagnética posee las características físicas a que estamos acostumbrados, se difracta en las rendijas, unas ondas crean interferencias en otras, se difractan en los prismas, etc.

Si se considera a la luz como una partícula, se obtienen algunos resultados inesperados. Dicha partícula se denomina fotón, y en contra de la creencia habitual, tiene masa. Esta masa es muy pequeña, casi inmedible, pero físicamente es de gran importancia e incluso existen aplicaciones de los láser que se basan en dicha masa.

Emisión de luz por los átomos

Un átomo se compone de un núcleo formado por una agrupación de protones y neutrones y de un conjunto de electrones situados a cierta distancia alrededor del núcleo. Cada uno de estos electrones posee una energía que depende de su distancia al núcleo. Esta distancia posee una característica importante: está cuantificada. Esto significa que un electrón no puede estar situado a cualquier distancia del núcleo ni poseer cualquier cantidad de energía. En cambio existe una serie de niveles de energía y de orbitales permitidos que son los únicos en los que se puede hallar.

Para pasar de un nivel a otro más alto el electrón absorbe una cantidad fija de energía, que es la diferencia entre la energía que poseen los dos niveles. Cuando desciende de un nivel a otro más bajo, desprende la misma cantidad de energía que absorbería para saltar del más bajo al más alto.

Esta energía absorbida o emitida puede tener diversas representaciones, puede ser energía rotacional, al girar una molécula o átomo, energía vibracional de la partícula, que puede oscilar como un péndulo, o se puede presentar también como la absorción o emisión de un fotón, que es la que interesa para el funcionamiento del láser. El paso de un electrón de un nivel de energía inferior a otro superior se produce siempre que exteriormente reciba la suficiente energía.

El descenso de un nivel a otro inferior se realiza en condiciones normales espontáneamente sin ayuda externa, ya que el nivel más estable es el más bajo, desprendiéndose en el proceso la energía correspondiente a la diferencia entre los dos niveles. El único impedimento que puede existir para que un electrón descienda a un nivel inferior es que dicho nivel ya esté completo.

Para comprender el proceso se puede establecer una equivalencia con una serie de estantes colocados a distintas alturas y con pelotas en algunos de ellos. La pelota situada en el estante más inferior se quedará en él, ya que no puede bajar más, en cambio una pelota situada en un nivel más elevado tenderá a caer disminuyendo su energía.

Para pasar del estante inferior a uno superior es necesario subir la pelota, suministrándole una cantidad de energía que tendrá que ser la necesaria para cubrir la distancia entre los dos estantes. Si se le suministra menos energía, no podrá subir y se quedará en el mismo estante; si se le suministra más, sólo empleará la necesaria para alcanzar el estante superior.

Como ejemplo de dos transferencias de energía como las comentadas tenemos el de una bombilla normal. El flujo de electrones libres a lo largo del filamento transfiere parte de su energía de movimiento a los electrones de los átomos del material que constituye dicho filamento.

Esto ocasiona que salten a un nivel de energía superior, pero como ese nivel es inestable (ya que hay otro inferior) vuelven a bajar desprendiendo un fotón con la diferencia de energía existente entre los dos niveles.

Diferencias entre la luz normal y el rayo láser

Inicialmente se dijo que el láser es un tipo especial de luz. Las características que lo diferencian de la luz generada por las bombillas o por el Sol es que el rayo láser es un haz de luz monodireccional, monocromático y coherente. A continuación se explican los tres términos.

Una onda electromagnética se desplaza con una velocidad que depende del medio por el que viaje (en el vacío son 300 000 kilómetros por segundo, pero en otros medios es más lenta) y con una dirección fija. Pero un emisor de luz, como una bombilla o un láser, no emite una sola onda, sino millones de ellas, pudiendo tener todas la misma dirección, como sucede en el láser, o tener cada una dirección distinta, que es el caso de la bombilla.

En este caso la luz es omnidireccional, se transmite en todas direcciones, mientras que la del láser es monodireccional, va en una sola dirección.

El segundo término de la definición es monocromática. Significa que todas las ondas tienen la misma frecuencia, y por tanto el mismo color, ya que el color de una luz depende de su frecuencia. En una bombilla normal, el filamento está compuesto de múltiples átomos y moléculas distintos, y por tanto la energía que se absorbe y desprende en forma de fotones puede adoptar muchos valores.

Según la fórmula de Planck dada anteriormente (E = h · f) la frecuencia del fotón depende de su energía, por lo que al variar la energía, variará la frecuencia emitida. Como resultado se obtiene que la luz desprendida por la bombilla posee múltiples frecuencias que dependen del filamento empleado.

 n un láser, la luz la produce un gas o un sólido muy purificados, o un sólido con estructura cristalina; en ellos todos los átomos poseen los mismos niveles energéticos, por lo que todos los fotones generados poseen la misma energía y frecuencia.

Aparte de los láseres, existen otros sistemas de producción de luz monocromática, como las lámparas de descarga que emplean gases purificados, pero carecen de las otras dos características, monodireccionalidad y coherencia.

El último término es coherencia. Toda onda electromagnética, por su propia naturaleza de señal alterna, cambia constantemente de valor, variación que normalmente tiene forma de curva senoidal. La parte de la curva senoidal en que está la onda en un momento dado y en una posición dada se denomina fase. Tomando dos ondas de la misma dirección y frecuencia, normalmente cada una estará en una fase distinta.

Una, por ejemplo, puede hallarse en un máximo y la otra en un mínimo, en cuyo caso se anularían, o una con un valor instantáneo cero y la otra con un valor de 3/4 del máximo. También puede darse la situación en la que ambas señales tengan la misma fase y por tanto los mismos valores siempre, con lo cual el efecto resultante a escala macroscópica es similar a una onda con el doble de tamaño.

En la luz normal las ondas no se hallan en fase, y gran parte de la energía que llevan se pierde al anularse unas señales con otras. En cambio, en el láser todas las ondas tienen la misma fase, por esta razón se dice que es un haz coherente y la energía obtenida es la máxima posible, al no anularse ninguna onda.

Emisión estimulada de luz

Al explicar las interacciones entre fotones y átomos, se comentó la absorción de la energía de un fotón por un electrón y la emisión espontánea de energía por un electrón en forma de fotón. Existe una tercera interacción que es la emisión estimulada de fotones.

Ésta se produce cuando al lado de un electrón que se halla en un estado excitado, es decir, con una energía superior a la normal, pasa un fotón con una energía igual a la que posee el electrón excitado. Este paso del fotón «estimula» al electrón a pasar al nivel inferior de energía y a liberar un fotón con la misma dirección, frecuencia (ya que posee la misma energía) y fase que el fotón que estimuló la emisión, con lo cual ya hay dos fotones iguales.

Este tipo de emisión no se produce en condiciones normales. Cuando un electrón es excitado, vuelve muy rápidamente a su nivel normal. Este hecho, unido a que la energía recibida del exterior no suele ser lo suficientemente elevada como para proporcionar energía para todos los electrones del material, hace que haya más electrones en estado de reposo que excitados.

Todo fotón que entra tiene más posibilidades de encontrar un electrón en reposo que le absorba. En cambio, la posibilidad de encontrar uno excitado para originar una emisión estimulada es muy pequeña. La poca emisión estimulada que se produce se absorbe por otros electrones en reposo, anulándose dicho efecto.

La diferencia entre la luz producida por una emisión espontánea de un electrón que no necesita estímulo y una emisión estimulada, es que esta segunda genera un haz coherente.

En una emisión espontánea el electrón emite el fotón en un momento cualquiera, y los fotones no tienen por qué estar en fase, ni moverse en la misma dirección. En la emisión estimulada, el fotón incidente obliga a que se conserve la dirección, la frecuencia y la fase.