El desarrollo del laser

Son realmente pocos los descubrimientos científicos de este siglo que hayan tenido una repercusión tan profunda en nuestra vida científica y tecnológica como la ocasionada por el láser. Este instrumento ha permitido en muchas ramas de la ciencia un avance sin precedente que, sin él, no hubiera sido posible. Asimismo, son innumerables las aplicaciones del láser en diferentes campos tecnológicos. Ha permitido solucionar tantos problemas científicos y tecnológicos que se le llegó a definir como "instrumento que es solución en busca de problemas".

LUZ Y MATERIA El desarrollo del láser, como el de cualquier otro descubrimiento importante, fue posible gracias a los avances previamente logrados en otras disciplinas científicas. En el caso que nos ocupa, estas disciplinas las encontramos fundamentalmente en la física moderna y, en particular, en la parte de ésta llamada mecánica cuántica. A su vez, el germen que dio origen a la mecánica cuántica lo encontramos en el siglo XIX, cuando los científicos de la época trataron de encontrar la distribución del espectro emitido por un cuerpo caliente. Por tanto comenzaremos nuestra exposición aquí.

RADIACIÓN TÉRMICA Si calentamos un objeto a 200° C podremos notar al acercar la mano a éste que emite cierta radiación invisible llamada calor o radiación infrarroja. Si ahora aumentamos la temperatura del objeto hasta 600° C (la que produce por lo común una estufa eléctrica) notaremos que una tenue luz roja empieza también a ser emitida. Aumentando la temperatura del objeto a 2 000° C (la del filamento interno de un foco eléctrico) emitirá radiación visible de color amarillo y si seguimos aumentando continuamente la temperatura el color que observaremos será progresivamente, azul, violeta, etc.

LOS CUANTA DE ENERGÍA El problema de la radiación térmica también conocido como el problema del "cuerpo negro", fue resuelto por Max Planck en el año de 1900. Así se inició una de las más importantes ramas de lo que ahora llamamos física moderna. Planck halló la solución al postular que la energía de una onda electromagnética (o cualquier otro sistema oscilante) puede existir en forma de paquetes llamados cuanta. La energía E de cada cuanta es directamente proporcional a la frecuencia de oscilación. Esto es E = hv donde h es una constante universal, hoy conocida como constante de Planck y que vale h = 6.6256 x 10 -34 joules-segundo.

ÁTOMOS Y TRANSICIONES ELECTRÓNICAS El primer modelo "moderno" del átomo fue proporcionado por Ernest Rutherford. Este modelo estaba basado en sus resultados experimentales que mostraban conclusivamente que el átomo está formado por un núcleo muy masivo con carga positiva, alrededor del cual giraban los electrones, con carga negativa, formando un sistema similar a un pequeño sistema planetario. El problema fundamental de este modelo estaba en que, de acuerdo con la teoría electromagnética clásica, una partícula cargada como un electrón, girando en una órbita, debería radiar ondas electromagnéticas y perder así rápidamente toda su energía. Es decir, un átomo sería un sistema inestable en el cual sus electrones se colapsarían siguiendo órbitas espirales hacia el núcleo atómico y emitiendo en el proceso un breve destello de radiación electromagnética de una cienmillonésima de segundo. El universo, tal como lo conocemos, no podría existir. Nuevamente, como en el problema de la radiación térmica, la física clásica era incapaz de proporcionar una respuesta congruente con la observación experimental. Quien solucionó en 1913 esta paradójica situación fue el físico Niels Bohr al proponer un modelo atómico en el cual los electrones únicamente pueden encontrarse en un número discreto de órbitas alrededor del núcleo; para que un electrón pase de una órbita a otra debe emitir o absorber, según el caso un cuanto de energía.

INTERACCIÓN ÁTOMO-CUANTO Ahora enunciaremos los procesos básicos de interacción entre la materia y la radiación electromagnética que en su más pequeña escala se reducen a los procesos de interacción entre átomos y cuantos de energía de radiación electromagnética. Supondremos un sistema atómico elemental con dos niveles de energía E1 y E2 en el cual el primer nivel corresponde a un electrón en su órbita inferior y el segundo nivel corresponde a un electrón en su órbita superior. En el primer caso diremos que el átomo se encuentra en su estado base y en el segundo caso en su estado excitado. Como vimos en la sección anterior, este sistema atómico

sólo podrá interaccionar con cuantos que tengan una energía E igual a la diferencia de energía E = E2 - E1. Por lo tanto, la frecuencia v asociada a dichos cuantos de energía es E2 - E1 v = h En tal caso diremos que la interacción átomo-cuanto es un proceso resonante. En este libro sólo consideraremos interacciones resonantes. Por brevedad, de ahora en adelante llamaremos fotón a un "cuanto de radiación electromagnética".

AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS En raras ocasiones nos hallaremos en una situación en la que debamos considerar la interacción de un solo átomo con un solo fotón, tal como hemos hecho en el capítulo anterior. En vez de esto tendremos la interacción de un gran número de fotones con una enorme cantidad de átomos. Debemos por tanto discutir esta última situación y obtener resultados que nos permitan saber cuál será el resultado neto de la interacción entre grandes cantidades de átomos con fotones para posteriormente comprender qué es un amplificador y un oscilador láser.

ABSORCIÓN Y AMPLIFICACIÓN DE LUZ En esta sección discutiremos cómo podemos describir la interacción de grandes cantidades de fotones con átomos.

AMPLIFICADORES ÓPTICOS Contamos ahora con las ideas básicas necesarias para la comprensión del funcionamiento de un amplificador óptico, también conocido como amplificador láser. Este es un sistema tal que al introducirle un flujo inicial de fotones Si nos proporciona en su salida un flujo final de fotones Sf mayor que el flujo inicial Si. Dichos amplificadores ópticos generalmente tienen un aspectoes decir, un cilindro por un extremo del cual entra en flujo inicial de fotones Si y otro por el cual sale el flujo final de fotones amplificado Sf.

OSCILADOR ÓPTICO Después de exponer el principio básico de operación de un amplificador óptico, podemos fácilmente comprender el principio de funcionamiento de un oscilador óptico, también conocido como oscilador láser, o simplemente láser. Consideremos una cavidad amplificadora con un sistema de bombeo, a la cual hemos colocado en sus extremos un par de espejos planos (o ligeramente cóncavos).

CONMUTACIÓN

...