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Capítulo 30 del libro "Electromagnetismo: De la ciencia a la tecnología" de Eliezer Braun

El láser es un dispositivo que produce haces de luz muy colimados y de una intensidad mucho más alta que la que pueden tener fuentes convencionales de luz. A continuación daremos una breve explicación del funcionamiento de un láser.

Como se vio en el capítulo XXVIII, los átomos y moléculas son entes que tienen niveles de energía bien definidos; además, en los átomos pueden ocurrir transiciones justamente entre los niveles de energía permitidos.

Ahora bien, si un átomo está en un nivel excitado, al ocurrir una transición a un nivel más bajo emite energía en forma de radiación electromagnética; más precisamente, se dice que se ha emitido un fotón. Mencionamos que la radiación electromagnética tiene una naturaleza muy especial: si interacciona con la materia, como por ejemplo con átomos, se comporta como si fuera una partícula, un fotón. Si no interacciona con la materia se comporta como si fuera una onda. ²

La frecuencia de la onda que emite el átomo es proporcional a la energía emitida, es decir, a la separación entre los niveles en cuestión. Si resulta que la frecuencia tiene el valor que cae entre los límites del espectro visible, el átomo estará emitiendo ondas electromagnéticas que el ojo humano registra como luz visible. Dado que la frecuencia de la radiación está asociada al color que le asignamos (si está dentro de la región visible), lo anterior significa que un átomo dado sólo puede emitir ciertos colores perfectamente característicos. Los átomos también emiten radiación con frecuencias que están fuera de la región visible, por ejemplo en el infrarrojo o el ultravioleta; el ojo humano no ve estas radiaciones.

Asimismo, el átomo puede absorber energía electromagnética al pasar de un nivel a otro de mayor energía. Una de las posibilidades es cuando absorbe energía electromagnética, y se dice que el átomo ha absorbido un fotón; cuando pasa de un nivel inferior de energía a otro superior, como cuando experimenta una colisión, también absorbe energía. Veamos lo que sucede en el caso de la absorción de energía electromagnética.

Según lo que se acaba de explicar, el átomo solamente puede absorber energía que tenga valores bien precisos, a saber, iguales a la diferencia de energías entre los niveles en que ocurre la transición. Si el átomo absorbe radiación electromagnética solamente podrá hacerlo para valores de la frecuencia bien determinados. Si sobre el átomo incide radiación electromagnética que tenga frecuencia de un valor distinto a cualquiera de los mencionados, el átomo no absorberá dicha radiación; en este caso el átomo es transparente a la radiación incidente.

Si se tiene un conjunto de átomos, como los que componen un gas, que está en equilibrio a una temperatura dada, entonces la mayoría de ellos se encuentra en su estado base; otro número menor de átomos está en el primer estado excitado, y otro número todavía más pequeño se encuentra en el segundo estado excitado, etc. Si en estas condiciones se iluminan estos átomos con luz de frecuencia que corresponde a la diferencia de energías entre el estado base y el primer excitado, digamos, entonces el gas absorberá energía de la radiación. En estas circunstancias el campo de radiación disminuye su intensidad, porque parte de su energía fue absorbida por los átomos del gas. Si la frecuencia de la onda incidente no es igual a la que corresponde a alguna diferencia entre los niveles de energía del átomo, la sustancia no absorbe nada y el haz la cruza; se trata de una sustancia transparente.

Supóngase que de alguna manera se pudiera lograr que en un gas hubiera más átomos en el primer estado excitado que en el estado base, que corresponde a una situación que no es de equilibrio. En estas condiciones, los átomos pasarán en mayor número del estado excitado al base, es decir, habrá emisión neta de energía del átomo al campo de radiación. Si la cantidad de energía proporcionada por los átomos es mayor que las inevitables pérdidas que ocurren, entonces la intensidad de la radiación aumentará. El proceso por medio del cual se logra la inversión de la población de los niveles de energía se llama bombeo óptico, y para lograrlo se requiere que un agente externo proporcione energía a la sustancia. Por tanto, el bombeo óptico es el mecanismo por medio del cual se entrega esta energía, que se transforma en energía de la radiación que emiten los átomos.

Ahora bien, cuando un átomo está en un estado excitado puede ocurrir la transición a un estado de energía más bajo en forma espontánea, con la consecuente emisión de radiación, o sea de un fotón, tal como lo hemos descrito arriba. Albert Einstein (1879-1955) descubrió en 1917 que si un átomo excitado se encuentra metido dentro de un campo de radiación electromagnética, también puede ocurrir otro proceso de emisión, que es inducido o estimulado por el campo. Si el fotón de la radiación incidente tiene la energía adecuada (que debe corresponder a la diferencia de energías entre los niveles en los que ocurrirá la transición), y si el sistema tiene un buen número de átomos en estados excitados, o sea que se ha invertido apreciablemente esta población, tendrá una buena probabilidad de encontrar un átomo excitado y de inducirlo a emitir otro fotón igual. Por tanto, salen en forma neta dos fotones iguales: el que llegó y el inducido. Mientras mayor sea la intensidad del campo, mayor será la probabilidad de que ocurra la emisión inducida. Los dos fotones que salieron del átomo incidirán sobre sendos átomos excitados y a su vez saldrán nuevos fotones, generándose así una cascada de fotones, todos ellos con la misma frecuencia.

Es claro que si no hay campo electromagnético presente no habrá emisión inducida.

Ahora bien, resulta que las radiaciones emitidas en forma espontánea que ocurren en un gas de átomos tienen características distintas a las de la radiación inducida o estimulada. La radiación espontánea que emite cada átomo de un gas ocurre en forma azarosa, debido a que el momento preciso en que un átomo emite un fotón espontáneamente se da al azar. Por tanto, diferentes átomos excitados emiten fotones en forma independiente de los otros. Esto tiene como consecuencia que, por ejemplo, las fases de la radiación emitida por dos átomos sean, en general, completamente independientes una de la otra. Se dice que esta muestra emite ondas que están desfasadas (Figura 21). Por otro lado, cuando hay emisión inducida las ondas resultantes están en fase (Figura 22) ya que el agente que induce la emisión, el campo electromagnético externo, trabaja simultáneamente sobre varios átomos. Por tanto, en la emisión espontánea las diferentes ondas están desfasadas al azar, mientras que en la emisión inducida o estimulada las ondas emitidas están todas en fase.

Cuando dos ondas se unen, la amplitud neta que adquieren depende de la diferencia de fases que haya entre ellas. Si las ondas están desfasadas, la intensidad resultante es bastante baja (Figura 21) y puede ser nula, mientras que cuando no hay diferencia de fases la intensidad resultante es bastante grande (Figura 22). Por tanto, la intensidad de la radiación inducida o estimulada es mucho mayor que la de la radiación espontánea.

Un láser es un dispositivo que emite radiación inducida o estimulada. Las fuentes convencionales de luz que nos son familiares, por ejemplo, un foco eléctrico, emiten radiación espontánea. En consecuencia, la intensidad de la luz emitida por un láser es muchísimo mayor que la emitida por fuentes convencionales.

En la figura 57 se muestra un esquema de un láser. El tubo contiene la sustancia que va a producir la emisión estimulada de luz. Esta se escoge de manera que sus niveles de energía proporcionen radiación en la frecuencia de interés. Por ejemplo, se usan gases como la mezcla de helio-neón, de bióxido de carbono, etc. El bombeo, o sea la inversión de la población, se logra por medio de una descarga de radiofrecuencia, proporcionada por el excitador externo.

Un problema que hay es que aunque los fotones que salen de los diversos átomos tienen la misma frecuencia, no se emiten todos precisamente en el mismo instante y por tanto tienen una pequeña diferencia de fase; esto hace que al interferir reduzcan la intensidad y no se obtenga su máximo valor.

Para lograr fotones con la misma fase se hace lo siguiente. En cada extremo del tubo se coloca un espejo. Si hay dos fotones que tengan una diferencia de fase no nula, cuando interfieren dan lugar a una radiación de intensidad menor. A medida que se van reflejando, esta radiación va interfiriendo con otra, también desfasada, hasta que después de cierto tiempo su intensidad es prácticamente nula. Así quedan sólo aquellos fotones que están precisamente en fase.

Una vez que los átomos empiezan a emitir por inducción, la intensidad de la radiación aumenta porque únicamente interfieren fotones que tienen la misma fase. Además, los espejos reflejan la luz de regreso a la muestra con el fin de que la intensidad de radiación presente sea grande y así aumente la probabilidad de la emisión estimulada por otros átomos excitados en la sustancia. De hecho, este es un mecanismo de retroalimentación. De esta manera, la luz así generada alcanza intensidades muy altas.

La palabra láser es una sigla, en inglés, de Light amplification by stimulated emission of radiation, que quiere decir amplificación de luz por emisión de radiación estimulada (o inducida).

Otra característica fundamental del láser es que emite luz en forma coherente, lo que tiene como consecuencia que un haz de esta radiación pueda viajar distancias astronómicas formando todo el tiempo el mismo haz, es decir, este tipo de haces no se dispersa. Esta dispersión ocurre con haces producidos por fuentes que emiten radiación no coherente, como por ejemplo la que produce una linterna. Veamos qué significa la coherencia. Cuando se hace pasar una corriente eléctrica a través de una lámpara, como por ejemplo la de una linterna, la corriente excita muchos átomos a diferentes niveles de energía, que al decaer espontáneamente a su nivel base emiten fotones de muchas frecuencias. Pero esta radiación es emitida en todas las direcciones. Se puede intentar formar un haz de luz colimándola, por ejemplo, poniendo un espejo curvo en la parte posterior de la lámpara que refleja la luz que le llega y la manda en una dirección paralela al eje de la linterna. De esta manera, casi toda la luz producida sale en un haz angosto. Sin embargo, este haz no permanece colimado durante mucho tiempo. Esto se debe a que la luz está compuesta de ondas de muchas frecuencias que al propagarse interfieren y como resultado hay interferencias negativas en la dirección de propagación, mientras que ocurre cierta interferencia positiva en otras direcciones. En consecuencia, sin importar qué tan bien colimado esté inicialmente el haz, se dispersa en diferentes direcciones. Esta dispersión hace que la energía del haz también se disperse en diferentes direcciones y por tanto; el objeto que se está tratando de iluminar recibe menos energía de la que se envió. Una parte de la dispersión que experimenta un haz de una linterna se debe a que la luz tiene que pasar por el aire, cuyas moléculas desvían el haz; sin embargo, este efecto es relativamente pequeño. Aun si se hiciera en el vacío, un haz de una linterna se dispersa. Es por este motivo que no es posible que una linterna, por muy potente que sea, colocada en un satélite artificial alrededor de la Tierra (y por tanto cuando el efecto de la atmósfera es despreciable) ilumine un lugar en la superficie de la Luna. La intensidad de luz que llega a este lugar es extraordinariamente pequeña. Otra manera de convencerse de este hecho es que si tocamos una lámpara encendida nos quemamos, ya que está emitiendo mucha energía; sin embargo, si separamos la mano unos cuantos centímetros ya no nos quemamos. Lo que ocurre, es que la energía emitida por la lámpara se va dispersando en todas las direcciones y al separar la mano le llega ya muy poca energía. Se dice que la radiación emitida por una lámpara, que es espontánea, es incoherente.

Por otro lado, como en un láser las radiaciones emitidas por los átomos tienen todas la misma frecuencia, no ocurre la interferencia negativa mencionada en la dirección de propagación y tampoco la interferencia positiva en otras direcciones; por lo tanto, con un láser no hay dispersión. Esta radiación es coherente. Si inicialmente este haz de láser se colima permanecerá colimado todo el tiempo y la energía emitida llega toda al lugar de interés. Así, con un láser se ha logrado iluminar desde la Tierra lugares en la Luna.

Por tanto, un láser produce radiación de muy alta intensidad que puede ser colimada sin que ocurra dispersión. Estas propiedades han permitido utilizar el láser de maneras muy provechosas. Debido a que se puede concentrar la energía ha servido para cortar diamante (la sustancia más dura), soldar metales, etc. Como es posible enfocar la radiación y ajustar la intensidad de un láser en forma precisa, ha sido utilizado como bisturí por cirujanos. Además, su frecuencia se puede seleccionar de tal forma que puede destruir ciertos tipos de tejidos sin dañar otros, lo cual es muy útil para el tratamiento de ciertos tipos de cáncer. La luz del láser puede pasar a través de la pupila del ojo humano sin causar ningún efecto, por lo que puede usarse para operaciones de retina. Como veremos más adelante, una aplicación importante del láser es la transmisión de señales, hecho que ha cambiado drásticamente el campo de las comunicaciones.

La idea del láser fue propuesta por el físico estadounidense Charles H. Townes (1915- ), quien por ello ganó el Premio Nobel de Física en 1964. Se interesó en encontrar la manera de construir una fuente de microondas. De hecho, en 1951 se construyó bajo su dirección un dispositivo idéntico al láser que hemos descrito, pero en lugar de que emitiera luz visible emitía ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda. A este dispositivo le llamaron máser, sigla de la expresión en inglés Microwave amplification by stimulated emission of radiation, amplificación de microondas por emisión de radiación estimulada. El máser fue construido con gas de amoniaco; la radiación así emitida tenía una frecuencia extremadamente pura.

No fue sino hasta 1960, con las ideas fundamentales de Arthur Schawlow, que se construyeron láseres en dos laboratorios, es decir, dispositivos que emitían luz visible: uno por Theodore H. Maiman en Hughes Aircraft Laboratories con un rubí, y el otro en Bell Labs por Ali Javan, William Bennett y Donald Herriott, los dos en Estados Unidos.

2. Véase E. Braun, Una faceta desconocida de Einstein.

Fuente Primera edición, 1992 - La Ciencia para Todos es proyecto y propiedad del Fondo de Cultura Económica, al que pertenecen también sus derechos. Se publica con los auspicios de la Subsecretaría de Educación superior e Investigación Científica de la SEP y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología. - D. R. © 1992, FONDO DE CULTURA ECONÓMICA S. A. DE CV. - Carretera Picacho-Ajusco, 227; 14200 México, D F. - ISBN 968-16-3742-9 - Impreso en México.