Láser,
dispositivo de amplificación de luz por
emisión estimulada de radiación.
Los láseres son aparatos que amplifican
la luz y producen haces de luz coherente; su
frecuencia va desde el infrarrojo hasta los
rayos X. Un haz de luz es coherente cuando sus
ondas, o fotones, se propagan de forma acompasada,
o en fase. Esto hace que la luz láser
pueda ser extremadamente intensa, muy direccional,
y con una gran pureza de color (frecuencia).
Los máseres son dispositivos similares
para microondas.
PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO
DEL LASER
Los láseres obligan a
los átomos a almacenar luz y emitirla
en forma coherente. Primero, los electrones
de los átomos del láser son bombeados
hasta un estado excitado por una fuente de energía.
Después, se los ‘estimula’
mediante fotones externos para que emitan la
energía almacenada en forma de fotones,
mediante un proceso conocido como emisión
estimulada. Los fotones emitidos tienen una
frecuencia que depende de los átomos
en cuestión y se desplazan en fase con
los fotones que los estimulan. Los fotones emitidos
chocan a su vez con otros átomos excitados
y liberan nuevos fotones. La luz se amplifica
a medida que los fotones se desplazan hacia
atrás y hacia adelante entre dos espejos
paralelos desencadenando nuevas emisiones estimuladas.
Al mismo tiempo, la luz láser, intensa,
direccional y monocromática, se ‘filtra’
por uno de los espejos, que es sólo parcialmente
reflectante.
La emisión estimulada,
el proceso en que se basa el láser, fue
descrita por primera vez por Albert Einstein
en 1917. En 1958, los físicos estadounidenses
Arthur Schawlow y Charles Hard Townes describieron
a grandes rasgos los principios de funcionamiento
del láser en su solicitud de patente.
Obtuvieron la patente, pero posteriormente fue
impugnada por el físico e ingeniero estadounidense
Gordon Gould. En 1960, el físico estadounidense
Theodore Maiman observó el primer proceso
láser en un cristal de rubí. Un
año más tarde, el físico
estadounidense nacido en Irán Alí
Javan construyó un láser de helio-neón.
En 1966, el físico estadounidense Peter
Sorokin construyó un láser de
líquido. En 1977, el Tribunal de Patentes
de Estados Unidos confirmó una de las
reivindicaciones de Gould en relación
con los principios de funcionamiento del láser.
TIPOS DE LÁSER
Según el medio que emplean,
los láseres suelen denominarse de estado
sólido, de gas, de semiconductores o
líquidos.
Láseres de estado
sólido
Los medios más comunes
en los láseres de estado sólido
son varillas de cristal de rubí o vidrios
y cristales con impurezas de neodimio. Los extremos
de la varilla se tallan de forma que sus superficies
sean paralelas y se recubren con una capa reflectante
no metálica. Los láseres de estado
sólido proporcionan las emisiones de
mayor energía. Normalmente funcionan
por pulsos, generando un destello de luz durante
un tiempo breve. Se han logrado pulsos de sólo
1,2 × 10-14 segundos, útiles para
estudiar fenómenos físicos de
duración muy corta. El bombeo se realiza
mediante luz de tubos de destello de xenón,
lámparas de arco o lámparas de
vapor metálico. La gama de frecuencias
se ha ampliado desde el infrarrojo (IR) hasta
el ultravioleta (UV) al multiplicar la frecuencia
original del láser con cristales de dihidrogenofosfato
de potasio, y se han obtenido longitudes de
onda aún más cortas, correspondientes
a rayos X, enfocando el haz de un láser
sobre blancos de itrio.
Láseres de gas
El medio de un láser de gas puede ser
un gas puro, una mezcla de gases o incluso un
vapor metálico, y suele estar contenido
en un tubo cilíndrico de vidrio o cuarzo.
En el exterior de los extremos del tubo se sitúan
dos espejos para formar la cavidad del láser.
Los láseres de gas son bombeados por
luz ultravioleta, haces de electrones, corrientes
eléctricas o reacciones químicas.
El láser de helio-neón resalta
por su elevada estabilidad de frecuencia, pureza
de color y mínima dispersión del
haz. Los láseres de dióxido de
carbono son muy eficientes, y son los láseres
de onda continua (CW, siglas en inglés)
más potentes.
Láseres de semiconductores
Los láseres de semiconductores
son los más compactos, y suelen estar
formados por una unión entre capas de
semiconductores con diferentes propiedades de
conducción eléctrica. La cavidad
del láser se mantiene confinada en la
zona de la unión mediante dos límites
reflectantes. El arseniuro de galio es el semiconductor
más usado. Los láseres de semiconductores
se bombean mediante la aplicación directa
de corriente eléctrica a la unión,
y pueden funcionar en modo CW con una eficiencia
superior al 50%. Se ha diseñado un método
que permite un uso de la energía aún
más eficiente. Implica el montaje vertical
de láseres minúsculos, con una
densidad superior al millón por centímetro
cuadrado. Entre los usos más comunes
de los láseres de semiconductores están
los reproductores de discos compactos y las
impresoras láser.
Láseres líquidos
Los medios más comunes
en los láseres líquidos son tintes
inorgánicos contenidos en recipientes
de vidrio. Se bombean con lámparas de
destello intensas —cuando operan por pulsos—
o por un láser de gas —cuando funcionan
en modo CW. La frecuencia de un láser
de colorante sintonizable puede modificarse
mediante un prisma situado en la cavidad del
láser.
Láseres de electrones
libres
En 1977 se desarrollaron por
primera vez láseres que emplean para
producir radiación haces de electrones,
no ligados a átomos, que circulan a lo
largo de las líneas de un campo magnético;
actualmente están adquiriendo importancia
como instrumentos de investigación. Su
frecuencia es regulable, como ocurre con los
láseres de colorante, y en teoría
un pequeño número podría
cubrir todo el espectro, desde el infrarrojo
hasta los rayos X. Con los láseres de
electrones libres debería generarse radiación
de muy alta potencia que actualmente resulta
demasiado costosa de producir. Véase
Radiación de sincrotrón.
APLICACIONES DEL LÁSER
Los posibles usos del láser
son casi ilimitados. El láser se ha convertido
en una herramienta valiosa en la industria,
la investigación científica, la
tecnología militar o el arte.
Industria
Es posible enfocar sobre un punto pequeño
un haz de láser potente, con lo que se
logra una enorme densidad de energía.
Los haces enfocados pueden calentar, fundir
o vaporizar materiales de forma precisa. Por
ejemplo, los láseres se usan para taladrar
diamantes, modelar máquinas herramientas,
recortar componentes microelectrónicos,
calentar chips semiconductores, cortar patrones
de moda, sintetizar nuevos materiales o intentar
inducir la fusión nuclear controlada.
El potente y breve pulso producido por un láser
también hace posibles fotografías
de alta velocidad con un tiempo de exposición
de algunas billonésimas de segundo. En
la construcción de carreteras y edificios
se utilizan láseres para alinear las
estructuras.
Investigación
científica
Los láseres se emplean
para detectar los movimientos de la corteza
terrestre y para efectuar medidas geodésicas.
También son los detectores más
eficaces de ciertos tipos de contaminación
atmosférica. Los láseres se han
empleado igualmente para determinar con precisión
la distancia entre la Tierra y la Luna y en
experimentos de relatividad. Actualmente se
desarrollan conmutadores muy rápidos
activados por láser para su uso en aceleradores
de partículas, y se han diseñado
técnicas que emplean haces de láser
para atrapar un número reducido de átomos
en un vacío con el fin de estudiar sus
espectros con una precisión muy elevada.
Como la luz del láser es muy direccional
y monocromática, resulta fácil
detectar cantidades muy pequeñas de luz
dispersa o modificaciones en la frecuencia provocadas
por materia. Midiendo estos cambios, los científicos
han conseguido estudiar las estructuras moleculares.
Los láseres han hecho que se pueda determinar
la velocidad de la luz con una precisión
sin precedentes; también permiten inducir
reacciones químicas de forma selectiva
y detectar la existencia de trazas de sustancias
en una muestra. Véase Análisis
químico; Fotoquímica.
Comunicaciones
Fibra óptica Los cables
de fibra óptica suponen una alternativa
a los voluminosos cables de cobre para las telecomunicaciones.
En las redes de comunicaciones se emplean sistemas
de láser con fibra óptica. Por
el ojo de esta aguja pasan fácilmente
varias fibras ópticas.David Parker/Science
Source/Photo Researchers, Inc.
La luz de un láser puede viajar largas
distancias por el espacio exterior con una pequeña
reducción de la intensidad de la señal.
Debido a su alta frecuencia, la luz láser
puede transportar, por ejemplo, 1.000 veces
más canales de televisión de lo
que transportan las microondas. Por ello, los
láseres resultan ideales para las comunicaciones
espaciales. Se han desarrollado fibras ópticas
de baja pérdida que transmiten luz láser
para la comunicación terrestre, en sistemas
telefónicos y redes de computadoras.
También se han empleado técnicas
láser para registrar información
con una densidad muy alta. Por ejemplo, la luz
láser simplifica el registro de un holograma,
a partir del cual puede reconstruirse una imagen
tridimensional mediante un rayo láser.
Medicina
Con haces intensos y estrechos
de luz láser es posible cortar y cauterizar
ciertos tejidos en una fracción de segundo
sin dañar al tejido sano circundante.
El láser se ha empleado para ‘soldar’
la retina, perforar el cráneo, reparar
lesiones y cauterizar vasos sanguíneos.
También se han desarrollado técnicas
láser para realizar pruebas de laboratorio
en muestras biológicas pequeñas.
Tecnología militar
Los sistemas de guiado por láser
para misiles, aviones y satélites son
muy comunes. La capacidad de los láseres
de colorante sintonizables para excitar de forma
selectiva un átomo o molécula
puede llevar a métodos más eficientes
para la separación de isótopos
en la fabricación de armas nucleares.
MEDIDAS DE SEGURIDAD
El principal peligro al trabajar
con láseres es el daño ocular,
ya que el ojo concentra la luz láser
igual que cualquier otro tipo de luz. Por eso,
el haz del láser no debe incidir sobre
los ojos directamente ni por reflexión.
Un láser debe ser manejado por personal
experto equipado con gafas o anteojos de seguridad.
LÁSER ATÓMICO
En enero de 1997, un equipo
de físicos estadounidenses anunció
la creación del primer láser compuesto
de materia en vez de luz. Del mismo modo que
en un láser de luz cada fotón
viaja en la misma dirección y con la
misma longitud de onda que cualquier otro fotón,
en un láser atómico cada átomo
se comporta de la misma manera que cualquier
otro átomo, formando una “onda
de materia” coherente.
Los científicos confían
en las numerosas e importantes aplicaciones
potenciales de los láseres atómicos,
aunque presenten algunas desventajas prácticas
frente a los láseres de luz debido a
que los átomos están sujetos a
fuerzas gravitatorias e interaccionan unos con
otros de forma distinta a como lo hacen los
fotones.