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Láser
2 PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DEL LÁSER
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.
3 TIPOS DE LÁSER
Según el medio que emplean, los láseres suelen denominarse de
estado sólido, de gas, de semiconductores o líquidos.
3.1 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.
3.2 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.
3.3 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
(véase Grabación de sonido y reproducción) y las impresoras
láser.
3.4 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.
3.5 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.
4 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.
4.1 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
(véase Energía nuclear). 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.
4.2 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.
4.3 Comunicaciones
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.
4.4 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.
4.5 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.
5 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.
6 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.
Artículo enviado
por Álvar Sanjuan Más, Burgos, España.
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