¿Quién inventó el láser? Lasers

¿Cómo hacen la luz los láseres?

Si eso es todo lo que quiere saber sobre los láseres, puede dejar de leer ahora o saltar más abajo en la página a los tipos de láseres.Esta sección repasa los mismos puntos del recuadro anterior con un poco más de detalle y de forma más «teórica».

A menudo leerá en los libros que «láser» significa Amplificación de la Luz por Emisión Estimulada de Radiación. Es un lenguaje complejo y confuso, pero, si se desmenuza lentamente, en realidad es una explicación muy clara de cómo los láseres producen sus potentísimos haces de luz.

Emisión espontánea

Empecemos por la «R» de láser: radiación.La radiación que producen los láseres no tiene nada que ver con la peligrosa radiactividad, lo que hace que los contadores Geiger hagan clic, lo que los átomos expulsan cuando se juntan o se deshacen. Los láseres producen radiación electromagnética, al igual que la luz ordinaria, las ondas de radio, los rayos X y los infrarrojos. Aunque sigue siendo producida por los átomos, éstos la producen («emiten») de una manera totalmente diferente, cuando los electrones saltan dentro de ellos. Podemos pensar en los electrones de los átomos sentados en niveles de energía, que son un poco como los peldaños de una escalera. Normalmente, los electrones se sitúan en el nivel más bajo posible, que se denomina estado básico del átomo. Si se dispara la cantidad justa de energía, se puede desplazar un electrón hacia arriba, hacia el siguiente peldaño de la «escalera». Eso se llama absorción y, en su nuevo estado, decimos que el átomo está excitado, pero también es inestable. Vuelve rápidamente al estado de reposo emitiendo la energía absorbida en forma de fotón (una partícula de luz). A este proceso lo llamamos emisión espontánea de radiación: el átomo emite luz por sí mismo (espontáneamente).

Foto: Desde las velas hasta las bombillas, pasando por las luciérnagas y las linternas, todas las formas convencionales de luz funcionan mediante el proceso de emisión espontánea. En una vela, la combustión (la reacción química entre el oxígeno y el combustible, en este caso, la cera) excita los átomos y los hace inestables. Estos átomos emiten luz cuando regresan a su estado original (tierra). Cada fotón producido por emisión espontánea en el interior de la llama de esta vela es diferente de cualquier otro fotón, por lo que hay una mezcla de diferentes longitudes de onda (y colores), lo que hace que la luz sea «blanca». Los fotones salen en direcciones aleatorias, con ondas desfasadas («fuera de fase»), por lo que la luz de las velas es mucho más débil que la luz láser.

Emisión estimulada

Normalmente, un grupo típico de átomos tendría más electrones en sus estados básicos que en sus estados excitados, lo que es una de las razones por las que los átomos no emiten luz de forma espontánea. En ese caso, la «población» de electrones excitados sería mayor que la «población» en sus estados básicos, por lo que habría muchos electrones listos y dispuestos a producir fotones de luz. Llamamos a esta situación inversión de la población, porque el estado habitual de los átomos se intercambia (se invierte). Supongamos también que pudiéramos mantener nuestros átomos en este estado durante un tiempo para que no volvieran a saltar automáticamente a su estado básico (un estado de excitación temporal conocido como metaestado). Entonces encontraríamos algo realmente interesante. Si disparamos un fotón con la energía adecuada a través de nuestro grupo de átomos, haremos que uno de los electrones excitados vuelva a su estado de tierra, emitiendo tanto el fotón que disparamos como el fotón producido por el cambio de estado del electrón. Como estamos estimulando los átomos para obtener radiación de ellos, este proceso se llama emisión estimulada. Obtenemos dos fotones después de introducir un fotón, lo que duplica nuestra luz y la amplifica (la aumenta). Estos dos fotones pueden estimular a otros átomos para que emitan más fotones, por lo que, muy pronto, obtenemos una cascada de fotones -reacción en cadena- lanzando un brillante haz de luz láser pura y coherente. Lo que hemos hecho aquí es amplificar la luz utilizando la emisión estimulada de radiación, y así es como un láser recibe su nombre.

Trabajo: Cómo funcionan los láseres en teoría: Izquierda: Absorción: Si se dispara energía (verde) a un átomo, se puede desplazar un electrón (azul) de su estado básico a un estado excitado, lo que suele significar alejarlo del núcleo (gris). Medio: Emisión espontánea: Un electrón excitado saltará de forma natural a su estado básico, emitiendo un cuanto (paquete de energía) en forma de fotón (meneo verde). Derecha: Emisión estimulada: Si se dispara un fotón cerca de un grupo de átomos excitados, se puede desencadenar una cascada de fotones idénticos. Un fotón de luz desencadena muchos, así que lo que tenemos aquí es la amplificación de la luz (hacer más luz) por emisión estimulada de la radiación (electromagnética) ¡LASER!.

¿Qué hace que la luz láser sea tan diferente?

Si es así como los láseres hacen la luz, ¿por qué hacen un solo color y un haz coherente? Se reduce a la idea de que la energía sólo puede existir en paquetes fijos, cada uno de los cuales se llama un quantum. Es un poco como el dinero. Sólo se puede tener dinero en múltiplos de la unidad más básica de la moneda, que puede ser un céntimo, un centavo, una rupia o lo que sea. No se puede tener un décimo de céntimo o un vigésimo de rupia, pero sí 10 céntimos o 20 rupias. Lo mismo ocurre con la energía, y es particularmente notable dentro de los átomos.

Como los peldaños de una escalera, los niveles de energía en los átomos están en lugares fijos, con espacios entre ellos. No se puede poner el pie en cualquier lugar de una escalera, sólo en los peldaños; y exactamente de la misma manera, sólo se pueden mover los electrones en los átomos entre los niveles de energía fijos. Para que un electrón salte de un nivel inferior a uno superior, hay que introducir una cantidad precisa (quantum) de energía, igual a la diferencia entre los dos niveles de energía. Cuando los electrones vuelven a bajar de su estado de excitación a su estado básico, emiten la misma cantidad precisa de energía, que adopta la forma de un fotón de luz de un color determinado. La emisión estimulada en los láseres hace que los electrones produzcan una cascada de fotones idénticos -idénticos en energía, frecuencia y longitud de onda- y por eso la luz láser es monocromática. Los fotones producidos equivalen a ondas de luz cuyas crestas y valles se alinean (en otras palabras, están «en fase»), y eso es lo que hace que la luz láser sea coherente.

Tipos de láseres

Foto: Los láseres -como la mayoría de nosotros los conocemos-: Este es el láser y la lente que escanea los discos dentro de un reproductor de CD o DVD. El pequeño círculo de la parte inferior derecha es un diodo láser semiconductor, mientras que el círculo azul más grande es la lente que lee la luz del láser después de que rebote en la superficie brillante del disco.

Dado que podemos excitar muchos tipos diferentes de átomos de muchas maneras diferentes, podemos (en teoría) hacer muchos tipos diferentes de láseres.En la práctica, sólo hay un puñado de tipos comunes, de los cuales los cinco más conocidos son el de estado sólido, el de gas, el de tinte líquido, el de semiconductor y el de fibra.

Los sólidos, los líquidos y los gases son los tres estados principales de la materia y nos dan tres tipos diferentes de láser. Los láseres de estado sólido son como los que he ilustrado arriba. El medio es algo así como una varilla de arubio u otro material sólido cristalino, y un tubo de flash envuelto en él bombea sus átomos llenos de energía. Para que funcione eficazmente, el sólido tiene que estar dopado, un proceso que sustituye algunos de sus átomos por iones de impurezas, dándole los niveles de energía adecuados para producir una luz láser de una frecuencia determinada y precisa. Los láseres de estado sólido producen haces de gran potencia, normalmente en pulsos muy breves. Los láseres de gas, en cambio, producen haces luminosos continuos utilizando compuestos de gases nobles (en los llamados láseres de excímeros) o dióxido de carbono (CO2) como medio, bombeados por electricidad. Los láseres de CO2 son potentes y eficaces, y suelen utilizarse en el corte y la soldadura industrial. Los láseres de colorante líquido utilizan como medio una solución de moléculas de colorante orgánico, bombeada por algo parecido a una lámpara de arco, una lámpara de flash u otro láser. Su gran ventaja es que pueden utilizarse para producir una banda más amplia de frecuencias de luz que los láseres de estado sólido y de gas, e incluso pueden «sintonizarse» para producir diferentes frecuencias.

Mientras que los láseres de estado sólido, líquido y de gas tienden a ser grandes, potentes y caros, los láseres de semiconductores son dispositivos baratos, diminutos y con forma de chip que se utilizan en cosas como reproductores de CD, impresoras láser y escáneres de códigos de barras. Funcionan como un cruce entre un diodo emisor de luz (LED) convencional y un láser tradicional. Al igual que un LED, producen luz cuando los electrones y los «agujeros» (en realidad, «electrones perdidos») saltan y se juntan; al igual que un láser, generan luz coherente y monocromática. Por eso a veces se les llama diodos láser (o láseres de diodo). Puede leer más sobre ellos en nuestro artículo sobre diodos láser semiconductores.

Por último, los láseres de fibra hacen su magia dentro de las fibras ópticas; en efecto, un cable de fibra óptica dopado se convierte en el medio de amplificación. Son potentes, eficientes, fiables y facilitan la conducción de la luz láser a cualquier lugar que se necesite.

¿Para qué se utilizan los láseres?

Cuando Theodore Maiman desarrolló el primer láser práctico, poca gente se dio cuenta de la importancia que estas máquinas acabarían teniendo. Goldfinger, la película de James Bond de 1964, ofrecía una visión tentadora de un futuro en el que los láseres industriales podían cortar como por arte de magia todo lo que se les pusiera por delante, incluso a los agentes secretos. Ese mismo año, al informar sobre la concesión del Premio Nobel de Física al pionero del láser Charles Townes, The New York Times sugería que «un rayo láser podría, por ejemplo, transmitir todos los programas de radio y televisión del mundo, además de varios cientos de miles de llamadas telefónicas simultáneamente. Se utiliza ampliamente para la localización de distancias y el seguimiento de misiles». Más de medio siglo después, aplicaciones como ésta -herramientas de precisión, comunicación digital y defensa- siguen estando entre los usos más importantes de los láseres.

Foto: Cada vez que imprime un documento, la impresora láser que tiene en su escritorio está estimulando millones de átomos. El láser de su interior se utiliza para dibujar una imagen muy precisa de la página que se desea imprimir en un gran tambor, que recoge la tinta (tóner) alimentada y la transfiere al papel.

Herramientas

Las herramientas de corte basadas en láseres de CO2 se utilizan ampliamente en la industria: son precisas, fáciles de automatizar y, a diferencia de los cuchillos, nunca necesitan afilarse. Donde antes se cortaban trozos de tela a mano para hacer cosas como vaqueros, ahora los tejidos se cortan con láseres guiados por robots. Son más rápidos y precisos que los humanos y pueden cortar varios grosores de tela a la vez, lo que mejora la eficacia y la productividad. La misma precisión es igualmente importante en medicina: los médicos utilizan habitualmente los láseres en el cuerpo de sus pacientes, para todo tipo de cosas, desde la eliminación de tumores cancerosos y la cauterización de vasos sanguíneos hasta la corrección de problemas de visión (la cirugía ocular con láser, la reparación de retinas desprendidas y los tratamientos de cataratas implican el uso de láseres).

Comunicaciones

Los láseres forman la base de todo tipo de tecnología digital del siglo XXI. Cada vez que pasa su compra por el escáner de código de barras de un supermercado, está utilizando un láser para convertir un código de barras impreso en un número que el ordenador de la caja puede entender. Cuando vemos un DVD o escuchamos un CD, un rayo láser semiconductor rebota en el disco que gira para convertir su patrón de datos impreso en números; un chip de ordenador convierte estos números en películas, música y sonido. Junto con los cables de fibra óptica, los láseres se utilizan ampliamente en una tecnología llamada fotónica, que utiliza fotones de luz para comunicarse, por ejemplo, para enviar grandes flujos de datos de un lado a otro de Internet.Facebook está experimentando actualmente con el uso de láseres (en lugar de ondas de radio) para mejorar las conexiones con los satélites espaciales, lo que podría conducir a mayores velocidades de datos y a un acceso a Internet mucho mejor en los países en desarrollo.

Foto: ¿Son las armas láser el futuro? Este es el Sistema de Armas Láser (LaWS) de la Armada estadounidense, que se probó a bordo del USS Ponce en 2014. No hay balas ni misiles caros con un arma láser como esta, solo un suministro infinito de energía ferozmente dirigida. Foto de John F. Williams por cortesía de la Armada de EE.UU.

Defensa

El ejército ha sido durante mucho tiempo uno de los mayores usuarios de esta tecnología, principalmente en armas guiadas por láser y misiles.A pesar de su popularización en el cine y la televisión, la idea de ciencia ficción de armas láser que pueden cortar, matar o cegar a un enemigo siguió siendo fantasiosa hasta mediados de la década de 1980. En 1981, The New York Times llegó a citar a un «experto militar en láseres» diciendo: «Es una tontería. Se necesita más energía para matar a un solo hombre con un láser que para destruir un misil». Dos años más tarde, las armas láser de largo alcance se convirtieron oficialmente en la base de la controvertida Iniciativa de Defensa Estratégica (IDE) del presidente estadounidense Ronald Reagan, más conocida como el «programa de la guerra de las galaxias». La idea original era utilizar láseres de rayos X basados en el espacio (entre otras tecnologías) para destruir los misiles enemigos antes de que tuvieran tiempo de causar daños, aunque el plan se desvaneció gradualmente tras el colapso de la Unión Soviética y el final de la Guerra Fría.

Aún así, los científicos de defensa han seguido transformando los misiles basados en láser de la ciencia ficción a la realidad. La Marina estadounidense comenzó a probar el sistema de armas láser (LaWS) a bordo del buque USS Ponce en el Golfo Pérsico en 2014. Utilizando láseres de estado sólido bombeados por LEDs, fue diseñado para dañar o destruir equipos enemigos de forma más económica y precisa que los misiles convencionales. Las pruebas resultaron exitosas,y la Armada anunció contratos para construir más sistemas LaWS en 2018.Mientras tanto, continúa el desarrollo de láseres espaciales, aunque hasta ahora no se ha desplegado ninguno.

Foto: Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, en California, desarrollaron el láser más potente del mundo, el National Ignition Facility (NIF), para la investigación nuclear. Ubicada en un edificio de 10 plantas que ocupa un área tan grande como tres campos de fútbol, utiliza 192 rayos láser independientes para suministrar hasta 500 billones de vatios de potencia (100 veces más energía que cualquier otro láser), generando temperaturas de hasta 100 millones de grados. El NIF costó un total de 3.500 millones de dólares y se espera que impulse la investigación nuclear de vanguardia durante los próximos 30 años. Izquierda: Una de las dos naves de láser de la National Ignition Facility. Derecha: Cómo funciona: Los haces del láser se concentran en una pequeña pastilla de combustible en una cámara para producir temperaturas intensas (como las del interior de las estrellas). La idea es producir la fusión nuclear (hacer que los átomos se unan) y liberar una cantidad masiva de energía. Crédito de la foto: Lawrence Livermore National Laboratory.