Introducción al laser

Introducción al laser

l 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.

Las aplicaciones del láser son múltiples: quirúrgicas, médicas, militares, industriales, gemológicas, informáticas, gráficas, musicales, de ocio, etc. Todas estas aplicaciones son, no obstante, el principio de una tecnología que en el futuro se aplicará a ámbitos hasta hoy insospechados.

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.

Fundamentos físicos

Ondas y partículas

oda 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.

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