Funcion del rayo laser

La absorción, este proceso por el cual se absorben los fotones; el sistema atómico, se excita a un estado de energía muy alto, el electrón pasa a un estado meta-estable. Este fenómeno compite ciertamente con el de la emisión estimulada de radiación.

Características del láser

• La luz láser es intensa. No obstante, sólo ciertos láseres son potentes. Aunque lo parezca, no se trata de una contradicción. La intensidad es una medida de la potencia por unidad de superficie, e incluso los láseres que emiten sólo algunos mili vatios son capaces de producir una elevada intensidad en un rayo de un milímetro de diámetro. En realidad, su intensidad puede ser igual a la de la luz del sol. Cualquier lámpara ordinaria emite una cantidad de luz muy superior a la de un pequeño láser, pero esparcida por toda la sala. Algunos láseres pueden producir muchos miles de vatios continuamente; otros son capaces de producir billones de vatios en un impulso cuya duración es tan sólo la mil millonésima parte de un segundo.
• Los haces láser son estrechos y no se dispersan como los demás haces de luz. Esta cualidad se denomina direccionalidad. Se sabe que ni la luz de un potente foco logra desplazarse muy lejos: si se enfoca hacia el firmamento, su rayo parece desvanecerse de inmediato. El haz de luz comienza a esparcirse en el memento en que sale del foco, hasta alcanzar tal grado de dispersión que llega a perder su utilidad. Sin embargo, se han logrado reflejar haces láser de pocos vatios de potencia sobre la luna y su luz era todavía lo suficientemente brillante para verla desde la tierra. Uno de los primeros haces láser que se disparó contra la luna en 1962 sólo lleg6 a dispersarse cuatro kilómetros sobre la superficie lunar. ¡No está mal si se considera que se había desplazado cuatrocientos mil kilómetros!
• La luz láser es coherente. Esto significa que todas las ondas luminosas procedentes de un láser se acoplan ordenadamente entre sí. Una luz corriente, como la procedente de una bombilla, genera ondas luminosas que comienzan en diferentes mementos y se desplazan en direcciones diversas. Algo parecido a lo que ocurre cuando se arroja un puñado de piedrecitas en un lago. Lo único que se crean son pequeñas salpicaduras y algunas ondulaciones. Ahora bien, si se arrojan las mismas piedrecitas una a una con una frecuencia exactamente regular y justo en el mismo sitio, puede generarse una ola en el agua de mayor magnitud. Así actúa un láser, y esta propiedad especial puede tener diversas utilidades. Dicho de otro modo, una bombilla o un foco son como escopetas de cartuchos, mientras que un láser equivale a una ametralladora.
• Los láseres producen luz de un solo color, o para decirlo técnicamente, su luz es monocromática. La luz común contiene todos los colores de la luz visible (es decir, el espectro), que combinados se convierten en blanco. Los haces de luz láser han sido producidos en todos los colores del arco iris (si bien el más común es el rojo), y también en muchos tipos de luz invisible; pero un láser determinado sólo puede emitir única y exclusivamente un solo color. Existen láseres sintonizables que pueden ser ajustados para producir diversos colores, pero incluso éstos no pueden emitir más que un color único en un memento dado. Determinados láseres, pueden emitir varias frecuencias monocromáticas al mismo tiempo, pero no un espectro continuo que contenga todos los colores de la luz visible como pueda hacerlo una bombilla. Además, existen numerosos láseres que proyectan luz invisible, como la infrarroja y la ultravioleta.

¿Para qué sirven los láseres?

La gama de usos de los láseres es sorprendente, hasta el punto de que alcanza una extensión mucho más amplia que la concebida originariamente, por los científicos que diseñaron los primeros modelos (a pesar de que difícilmente lo admitirían), y supera en mucho la visión de los primeros escritores de ciencia-ficción, quienes en la mayoría de los casos sólo supieron ver en él un arma futurista, (aunque tampoco parecen dispuestos a confesar su falta de imaginación). También resulta sorprendente la gran variedad de láseres existentes.

En un extremo de la gama se encuentran los láseres fabricados con minúsculas pastillas semiconductoras, similares a las utilizadas en circuitos electrónicos, con un tamaño no superior al de un grano de sal. Gordon Gould uno de los pioneros en este campo, confesó que le impresionaron cuando fueron presentados. En el extremo opuesto se encuentran los láseres bélicos del tamaño de un edificio, con los que experimenta actualmente el ejército, muy diferentes de las pistolas lanzarrayos que habían imaginado los escritores de ciencia-ficción.

En este libro no sólo nos hemos propuesto hablar de los láseres, sino también explicar sus actuales aplicaciones -así como las de un futuro próximo- y la forma en que afectarán, por consiguiente, nuestras vidas.

Las tareas desempeñadas por los láseres van de lo mundano a lo esotérico si bien comparten un elemento común: son difíciles o totalmente imposibles con cualquier otro instrumento. Los Láseres son unos aparatos relativamente caros y, por lo general, sólo se utilizan por su propiedad de suministrar la forma y la cantidad de energía requeridas en el lugar deseado.

Charles H. Townes, uno de los inventores del láser y ganador del Premio Nobel, ha dicho que, en su opinión, el láser abarcará una gama muy amplia de campos y logrará hacerlo prácticamente todo.

Aplicaciones del láser

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 micro electrónicos, 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.

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.

Fotoquímica

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.

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.

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.

La historia del rayo láser

• La historia comenzó en 1916, cuando Albert Einstein estudiaba el comportamiento de los electrones en el interior del átomo. Por regla general, los electrones son capaces de absorber o emitir luz. En realidad, los electrones emiten luz espontáneamente sin ninguna intervención externa. Sin embargo, Einstein previó la posibilidad de estimular los electrones para que emitiesen luz de una longitud de onda determinada. El estímulo se lo proporcionaría una luz adicional de la misma longitud de onda. A pesar de que R. Ladenberg verificó el pronóstico de Einstein en 1928, nadie pensó seriamente en construir un dispositivo basado en el fenómeno en cuestión hasta principios de los años cincuenta.
• Recordemos que láser significa amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación. Einstein descubrió la emisión estimulada, pero para fabricar un láser se precisa también amplificación de dicha emisión estimulada.
• La primera propuesta conocida para la amplificación de la emisión estimulada apareció en una solicitud de patente soviética en el año 1951, presentada por V.A. Fabrikant y dos de sus alumnos. Sin embargo, dicha patente no se publicó hasta 1959, y por consiguiente no afectó a los demás investigadores. Fabrikant sigue siendo un misterio en la actualidad, uno de los olvidados en la ruta de investigación del láser. En1953, Joseph Weber, de la universidad de Maryland, propuso también la amplificación de la emisión estimulada y, al año siguiente, los rusos mencionados anteriormente, Basov y Prokhorov, escribieron un artículo explorando mucho más a fondo el concepto. Desde entonces, a Weber se le ha pasado a conocer mejor por sus investigaciones en otro campo, el de la detección de ondas de gravedad basándose también en otra antigua idea de Albert Einstein.

Éstas son las fechas oficiales correspondientes a la primera parte de la carrera del láser.

• La idea de Townes, según sus propias palabras en aquella época, "solo parecía factible en parte" Siguiendo el método tradicional de los catedráticos de física, formuló el problema en forma de tema para una tesis y se lo ofreció a James P. Gordon, alumno licenciado de la universidad de Columbia. Tres años más tarde, Gordon, Townes y Herbert Zeiger habían logrado construir en Columbia el primer máser (amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación).
• Durante los años siguientes proliferaron los máseres. Debido a que la física de éstos era fascinante, el nuevo campo atrajo a numerosos investigadores, pero por desgracia se encontraron pocas aplicaciones para los aparatos en cuestión. Una de sus utilidades consiste en amplificar las señales que los radioastrónomos reciben del espacio lejano, y en las comunicaciones por medio de satélite, y se usan además come medida de frecuencias en los relojes atómicos de ultra precisión. Sin embargo, la gama de frecuencias que amplifica es excesivamente limitada para la mayoría de las aplicaciones electrónicas. Los físicos deseaban ir más allá, y no tardaron en comenzar a investigar otras zonas del espectro electromagnético, en especial las longitudes de onda de la luz infrarroja y visible. Y así comenzó la gran carrera.

Temas delicados

• Uno de los factores que ha contribuido al difícil reconocimiento de las retribuciones de Gould al desarrollo del láser, es el hecho de que no se ajustase a los procedimientos tradicionales de la comunidad científica. Se espera que los científicos se ocupen de patentar sus descubrimientos, pero también que describan sus investigaciones sin pérdida de tiempo en alguna publicación científica, con el doble propósito de informar a los demás científicos y establecer la prioridad de su trabajo. Para justificar el hecho de no haberse ajustado a dichas normas, Gould habla de presiones cronológicas, el conflicto potencial entre publicar y obtener patentes extranjeras, y el hecho de que, a causa de los militares, gran parte de su información constituía un secrete de Estado. Lo ocurrido ha contribuido (y sigue haciéndolo) a que el papel de Gould en la historia del láser cayese parcialmente en el olvido.
• Existe también otro aspecto sumamente delicado que hace referencia al trato de los estudiantes licenciados dedicados a la investigación. Muchos estudiantes se inspiran en ideas brindadas por sus catedráticos, pero también se da el caso de ciertos miembros de la facultad que están dispuestos a apropiarse las ideas de sus alumnos. Townes asegura que la mayoría de las ideas plasmadas en el cuaderno de Gould, así como en las solicitudes de sus patentes, son meras ampliaciones de las descripciones que Townes le ofreció en su día. Gould, por su parte, alega que sus ideas son originales.
• A nivel personal todavía existe un evidente rencor entre ambos científicos. Townes dijo en fechas recientes que, en su opinión, son muchos los que han contribuido enormemente al desarrollo del láser, pero agregó que Gould no era uno de ellos. Gould afirma que Schawlow es «un individuo muy agradable» pero, aparte del comentario críptico «supongo que tiene sus necesidades», se niega a hablar de Townes. Cuando le preguntamos a Schawlow qué opinión le merecía Gould, el físico, por lo general repleto de jovialidad, se incomodó visiblemente y admitió que las solicitudes de patentes de Gould habían logrado disgustarle.
• La concesión de las patentes le ha proporcionado a Gould satisfacción emocional y financiera. Al vender finalmente la parte que le correspondía de las patentes, ha conseguido 300.000 dólares al contado y dos millones de dólares en obligaciones. Los compradores son también personajes curiosos en el juego de las patentes; se trata de una empresa de Ardmore, Pennsylvania, que se denominaba Panelrama Corporation, y que con el fin de realizar la compra liquidó una cadena de tiendas al por menor que trabajaba con pérdidas. Entonces Panelrama cambió de nombre y pasó a llamarse Patlex Corporation, puesto que esencialmente sus intereses en las patentes de Gould constituyen su único negocio. En el caso de que dichas patentes entren en vigor, Patlex, Gould, Refac y los abogados de Nueva Jersey que se ocupan del caso compartirán los derechos reales, que podrían llegar a representar decenas o incluso centenares de millones de dólares durante el período en que se hallen en vigor las patentes. El propio Gould estima que dichas patentes podrían reportar unos 10 millones de dólares anuales, y su validez se extiende a lo largo de diecisiete años. Sin embargo, numerosos observadores en el mundo del láser creen que las solicitudes son excesivamente abstractas para tener validez y que incluso la patente relacionada con el bombeo óptico puede desmoronarse ante un concertado ataque jurídico.
• Al igual que la mayoría de los pioneros del láser, Gould se ha dedicado a otros campos. En la actualidad, con sus sesenta años ya cumplidos, es vicepresidente de una pequeña empresa de Gaithersburg, Maryland, que se dedica a la fabricación de equipos destinados a comunicaciones por fibra óptica y que se denomina Optelecom Inc. Su cliente más importante es el ejército, pero Gould espera que llegue el día en que el beneficio de sus patentes le permita decidir el campo en el que desee investigar, sin tener que preocuparse de los deseos de los militares. Ahora que ha logrado la concesión de sus patentes, Gould ha comenzado a recibir premios tales como el de inventor del año, otorgado por la Asociación en pro del progreso de la invención y la innovación. Sin embargo, a Gould ya poco le importa. «Nada tienen que ver esas patentes con mi orgullo», asegura, aunque me gustaría sacarles algún dinero».
• Tanto Townes como Schawlow han seguido brillantes carreras en el mundo académico y ambos han recibido innumerables premios. Townes es catedrático de física en la universidad de California, en Berkeley, y desde hace algún tiempo se ocupa primordialmente de radioastronomía y radiaciones infrarrojas, utilizando máseres y láseres para ciertos aspectos de su trabajo. Schawlow es catedrático de física en la universidad de Stanford, y utiliza láseres como herramientas para el estudio de las propiedades de la materia, sin ocuparse de los propios láseres. Gracias a su trabajo, Schawlow compartió con Nicolás Bloembergen -físico de la universidad de Harvard que también participó activamente en el desarrollo inicial del láser- el premio Nobel de física de 1981. Schawlow estaba de un humor excelente cuando hablamos con él el día en que se dio a conocer la noticia, puesto que ya no se vería obligado a aclarar que no había recibido ningún premio Nobel, como comúnmente, se suponía debido a su estrecha cooperación con Townes en el desarrollo del láser.
• Después de muchos años en Korad Inc., Maiman acabó también distanciándose de los láseres. Intentó abrirse camino en varios campos y durante varios años trabajó como asesor independiente antes de unirse a la TRW Inc. en calidad de vicepresidente encargado de tecnología y nuevas empresas. Muchos otros pioneros del láser, tales como Gordon, Zeiger y Weber, han abandonado a su vez la investigación activa en dicho campo.
• Entre los primeros investigadores, los que siguen mas estrechamente vinculados con la investigación del láser son Basov y Prokhorov. Basov es director del instituto de física Lebedev, de Moscú, y miembro del Parlamento soviético. Prokhorov es subdirector del instituto Lebedpv. Ambos científicos dirigen grandes equipos dedicados a la investigación relacionada con el láser y sus nombres aparecen con regularidad en los artículos sobre dicho campo.

Aspectos recientes

• Se han observado mejoras en la modulación de ancho de banda, umbral de excitación, ruido relativo de intensidad, factor de realce de ancho de línea y estabilidad con la temperatura. La región activa del punto cuántico puede diseñarse para operar con diferentes longitudes de onda variando el tamaño y la composición del punto cuántico. Esto permite que este tipo de láser pueda fabricarse para operar en longitudes de onda imposibles de obtenerse con la tecnología de láser semiconductor actual.
• Con esta tecnología, se ha desarrollado un láser de punto cuántico de hasta 10 Gbit/s para uso en comunicaciones ópticas de datos y redes ópticas que es insensible a la fluctuación de temperatura. El láser es capaz de operar a alta velocidad en longitudes de onda de 1.3 µm, en un rango de temperaturas de entre 20 °C y 70 °C. Trabaja en sistemas ópticos de transmisión de datos, LANs ópticos y sistemas de Red de Área Metropolitana. En comparación al desempeño de los láseres de pozo cuántico tensado convencionales del pasado, el nuevo láser de punto cuántico alcanza una estabilidad ante la temperatura perceptiblemente más alta.