El rayo láser

Desde que las películas de ciencia ficción popularizaron los rayos láser, mediante espectaculares efectos especiales, el gran público se sintió interesado por estos dispositivos. Sin embargo, en la actualidad en cualquier casa seguramente hay varios de ellos funcionando en diferentes electrodomésticos, y su dueño ignora que están ahí, y de que manera funcionan. La palabra “láser” proviene del inglés “laser” (que deberiamos pronunciar como
”léiser”), y es un acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (“Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación”).

El rayo láser

Detrás de semejante definición, se esconde el hecho de que un rayo láser es ni mas ni menos que un dispositivo que utiliza uno de los efectos de mecánica cuántica, mas precisamente la emisión inducida o estimulada de partículas, para generar un haz de luz coherente de un medio adecuado y con el tamaño, la forma y la pureza que deseemos.
Existen diferentes tipos de rayo láser, utilizados para las más diversas actividades. Tenemos los modestísimos pero sumamente comunes (y útiles) diodos láser, que a pesar de su tamaño y consumo (son similares a un diodo LED) utilizados en lectores de CD, DVD, etc. hasta los láser industriales, basados en algún gas, capaces de cortar planchas de acero de varios milímetros de grosor a una velocidad de varios metros por minuto.

Por “colimado” se entiende que el haz de luz tiene una divergencia nula. El flujo de la energía es unidireccional, de modo que cada rayo del haz puede considerarse paralelo a cualquier otro. Esta característica, que en la práctica es imposible de lograr en un 100% pero que se acerca mucho, es la que hace que el rayo de luz emitido por un láser no se “ensanche” a medida que se aleja de la fuente que lo genera. Por ejemplo, un rayo láser proyectado sobre la luna, que a la salida del emisor tenga un diámetro de un milímetro tendrá en el destino un diámetro de un par de kilómetros, y eso después de viajar mas de 384000 km.

Cuando decimos que la luz láser es monocromática, nos referimos a que su longitud de onda es única, es decir, tiene un solo color. Las fuentes de luz mas comunes, como la de una bombilla eléctrica, emiten radiación en muchísimas longitudes de ondas diferentes, incluso no visibles, como infrarrojo (por eso dan calor) o ultravioletas. La coherencia se refiere a que cada fotón emitido por un láser esta en fase con los demás, es decir, cuando la onda de uno esta en su punto máximo, todos los demás también están en ese estado.

La historia del Rayo Láser

La primera propuesta conocida para la amplificación de la emisión estimulada apareció en una solicitud de patente soviética en el año 1951. Tres años más tarde, Gordon, Townes y Herbert Zeiger habían logrado construir en Columbia el primer máser (amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación).

Durante los años siguientes proliferaron los máseres. Debido a que la física de éstos era fascinante, el nuevo campo atrajo a numerosos investigadores, pero por desgracia se encontraron pocas aplicaciones para los aparatos en cuestión. Una de sus utilidades consiste en amplificar las señales que los radioastrónomos reciben del espacio lejano, y en las comunicaciones por medio de satélite, y se usan además come medida de frecuencias en los relojes atómicos de ultraprecisión. Sin embargo, la gama de frecuencias que amplifica es excesivamente limitada para la mayoría de las aplicaciones electrónicas. Los físicos deseaban ir más allá, y no tardaron en comenzar a investigar otras zonas del espectro electromagnético, en especial las longitudes de onda de la luz infrarroja y visible.

Otros investigadores dirigieron su atención a la construcción de otros modelos de láseres. Al principio, el progreso era lento. Durante el año 1960 se construyó el primer láser de gas y dos nuevos modelos de cristal. En 1961 se descubrieron dos nuevos tipos de láser, que funcionaban por bombeo óptico, pero el material activo era vapor de cesio (un metal).

El verdadero auge comenzó en 1962, y en 1965 la actividad del láser había sido observada en mil longitudes de onda diferentes, y ello sólo en los gases. Fueron muchos los que comenzaron a estudiar las posibles aplicaciones de los láseres a partir del momento en que se descubrieron. Una de ellas consistía en calcular la distancia a la que se encontraban ciertos objetos, y los militares no tardaron en aprovecharla para determinar la posición de los blancos. Los investigadores de los laboratorios Bell, entre otros, empezaron a estudiar su aplicación en el campo de las comunicaciones.

La fabricación comercial de los láseres tampoco se hizo esperar. Una de las primeras empresas en el nuevo campo fue la Korad Inc., fundada por Maiman en Santa Mónica, California, en 1962. No tardaron en aparecer otras. Muchas fracasaron y algunas son todavía pequeñas empresas con un puñado de empleados. Los pioneros del láser a cubrirse de honores. En 1964, Townes, Basov y Prokhorov compartieron el premio Nobel de física.

Tipos de Ráyo Láser

Bombeo: la emisión se provoca mediante una fuente de radiación (por ejemplo, una lámpara) o mediante el paso de corriente eléctrica para provocar la excitación de la especie activa, es decir, parte de sus electrones pasan del estado fundamental (de baja energía) a distintos estados de energía más elevados. Estos electrones van a estar poco tiempo en estos estados, ya que naturalmente volverán a los niveles mas estables, previo paso por un estado intermedio metaestable en donde permanecen un tiempo relativamente largo (en el orden de los milisegundos). El pasaje del estado de alta a uno de más baja energía provoca la emisión de un fotón.

Emisión espontánea de radiación: Como explicábamos en el caso del método de bombeo, a veces los electrones que vuelven naturalmente al estado fundamental emiten un fotón; es un proceso aleatorio y la radiación tendrá distintas direcciones y fases, por lo que se genera una radiación monocromática incoherente.

Emisión estimulada de radiación: La emisión estimulada, que es la base de la generación de radiación de un láser, se produce cuando un átomo en estado excitado recibe un estímulo externo que lo lleva a emitir fotones y así retornar a un estado menos excitado. El estimulo en cuestión proviene de la llegada de un fotón con energía similar a la diferencia entre la energía los dos estados. Los fotones que son emitidos de esta manera por el átomo estimulado poseen fase, energía y dirección similares a las del fotón externo que les dio origen. Esta emisión estimulada es la raíz de muchas de las características de la luz láser.

Absorción: En este proceso se absorbe un fotón, con lo que el sistema atómico se mueve a su estado de energía más alto, pasando un electrón al estado metaestable. Este fenómeno compite con el de la emisión estimulada de radiación.

Los dispositivos láseres disponibles comercialmente se basan en alguno de estos métodos o en una combinación de más de uno de ellos. No es que uno sea preferible al otro, si no que cada uno tiene características que lo hacen mas adecuados para diferentes aplicaciones.

Este tipo de láser es el que se encuentra dentro de su lector de discos compactos, DVD, etc. Cuando un diodo convencional o LED se polariza en directa, los huecos de la zona p se mueven hacia la zona n y los electrones de la zona n hacia la zona p; ambos desplazamientos de cargas constituyen la corriente que circula por el diodo. Cuando los electrones y huecos están en una misma región, pueden recombinarse (cayendo el electrón al hueco) emitiendo un fotón con la energía correspondiente a la banda prohibida. Esta emisión espontánea se produce en todos los diodos, pero sólo es visible en los diodos LED, que justamente están construidos de una manera especial con el propósito de evitar que la radiación sea reabsorbida por el material circundante, y una energía de la banda prohibida coincidente con el espectro visible; en el resto de diodos, la energía se disipa en forma de radiación infrarroja.

En condiciones apropiadas, el electrón y el hueco pueden coexistir un breve tiempo, del orden de milisegundos, antes de recombinarse, de forma que si un fotón con la energía apropiada pasa por casualidad por allí durante ese periodo, se producirá la emisión estimulada (o láser), es decir, al producirse la recombinación el fotón emitido tendrá igual frecuencia, polarización y fase que el primer fotón. Justamente, estas tres características son las que definen a un haz láser.

En este tipo especial de diodos, el cristal semiconductor tiene la forma de una lámina delgada, para lograr una unión de zonas p-n de la mayor superficie posible y caras exteriores perfectamente paralelas. Los fotones emitidos en la dirección adecuada se reflejarán repetidamente en dichas caras estimulando a su vez la emisión de más fotones, con un efecto de avalancha que se potencia a si mismo hasta el diodo comienza a emitir luz láser, que al ser coherente debido a las reflexiones posee una gran pureza espectral.

Particularmente, el caso de los diodos láser, han permitido el desarrollo de sistemas de almacenamiento masivo de información con capacidades impensadas hace solo una década. Y es una tecnología que no para de ser mejorada, como lo demuestran la aparición constante de nuevos artefactos que dejan a los anteriores en el olvido, debido a sus superiores características, valga el ejemplo de los emergentes HD-DVD o DVD Blue Ray, que utilizando diodos láser con longitudes de onda mas cortas permiten almacenar mucha mas información que los DVDs convencionales.

Algo mas alejados de los hogares, las grandes industrias hacen uso de diferentes tipos de láser. En la fabricación de los mas variados productos de utilizan estas haces de luz, ya sea para cortar, soldar o calibrar. Por ejemplo, en la industria electrónica, se suele utilizar un rayo láser para calibrar el valor de capacitores o resistencias.
Y en el campo de la arquitectura y agrimensura, los láseres han demostrado ser el método más fiable para medir distancias o comprobar alineaciones de objetos.

Por supuesto, las aplicaciones militares de esta tecnología también son numerosas, incluyendo proyectos ambiciosos como el de “la guerra de las galaxias” de la administración Reagan, que preveía el derribo de misiles mediante láser, hasta los mas realistas y efectivos sistemas de guiado de los misiles y bombas actuales.