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.
