Un láser es una máquina que hace que
miles de millones de átomos bombeen billones de fotones al mismo tiempo,
para formar un haz de luz realmente concentrado (Fig.1).
El término LASER es una sigla formada por las
primeras letras de las palabras de la siguiente frase en inglés: Light Amplification
by Stimulated Emission
of Radiation. Frase que, traducida al español, sería: Amplificación
de luz por emisión estimulada de radiación. En el
transcurso de esta nota intentaremos encontrarle sentido a estas definiciones,
explicando cada uno de los fenómenos involucrados en el LASER. |
| Fig.1 – Vista de un LASER emitiendo un haz de luz altamente concentrado |
Conceptos básicos
iniciales
En 1916 Albert Einstein
publicó su famoso artículo Zur
Quantentheorie der Strahlung (en alemán), que en inglés sería On the quantum theory of radiation y en
español Sobre la teoría cuántica de la
radiación, en el que describió teóricamente los procesos de interacción de
la luz con la materia, que constituyen los tres principios en que se basa el
funcionamiento de un LASER: absorción de energía por un átomo, emisión
espontánea y emisión estimulada.
Para explicar estos principios usaremos el modelo del átomo de Bohr que, si bien no es el modelo más
moderno, se adapta bien para este caso. Recordemos que este modelo representa
al átomo con un núcleo, formado por protones y neutrones, alrededor del cual
giran los electrones en órbitas circulares, a cada una de las cuales se le
asigna un valor de energía, teniendo mayor energía los electrones que giran en
las órbitas de mayor diámetro, de modo que cuanto más alejados del núcleo se
encuentren, tendrán mayor energía.
Absorción de energía por
un átomo
Normalmente, los electrones se encuentran en el
nivel de energía más bajo posible, que se denomina estado fundamental del átomo. Si
el átomo recibe energía, por ejemplo al ser iluminado con un fotón, como se
muestra en la Fig.2 ,
uno de sus electrones pasará a una órbita más alejada del núcleo respecto a la
que se encontraba inicialmente. Esto se llama absorción y, en su nuevo estado, decimos que el
átomo está excitado. Para
que un electrón pase de una órbita a otra, más alejado del núcleo, la energía
que tenemos que aportar al átomo tiene que ser exactamente igual a la
diferencia de energía entre las órbitas. Si llamamos E2 a la energía de la órbita más alejada del núcleo
y E1 a la energía de la más cercana al núcleo, se deberá cumplir
que la energía E = h.f del fotón,
donde h es la constante de Planck y f la frecuencia del fotón, deberá ser
igual a la diferencia entre las energías de ambas órbitas: E2 – E1 = h.f.
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Fig.2 – Un electrón pasa de una órbita de menor energía
a otra de mayor energía al absorber la energía de un fotón
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Emisión
espontánea
Un átomo excitado es inestable, permaneciendo en ese estado
durante un tempo muy breve, del orden de 0,1 micro segundos. Volviendo
muy rápidamente al estado fundamental, regresando el electrón a su órbita
original y emitiendo la energía que absorbió antes, como un fotón. Este
proceso se denomina emisión espontánea: el átomo emite
luz por sí solo (espontáneamente). (Fig.3)
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Fig.3 – Un electrón salta de una órbita de
mayor energía a otra de menor energía, en
forma espontánea, emitiendo un fotón.
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Emisión estimulada
La
emisión
estimulada se produce cuando un átomo se encuentra excitado y es
iluminado por un fotón de una energía igual a la diferencia de energía entre
las dos órbitas, el electrón vuelve a su órbita original, emitiendo un fotón,
que tendrá la misma magnitud, frecuencia, fase, dirección y sentido que el
fotón que lo iluminó. Como el átomo fue “estimulado” por un fotón, y se
obtienen dos fotones (el estimulador y el estimulado), se considera que hubo
una amplificación de luz, con una ganancia igual a 2 (G=2). (Fig.4)
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Fig.4
– Un átomo excitado es “estimulado”, al ser iluminado
por
un fotón, volviendo el electrón a la órbita de baja energía
original
y emitiendo un fotón idéntico al que lo estimuló (igual
magnitud,
frecuencia, dirección, sentido y fase).
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El primer LASER
El
Dr Theodore H. Maiman, trabajando en Hughes Research Laboratories in Malibu,
California, inventó en 1960 el primer láser, conocido como el "láser
rubí". (Fig.5)
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Fig.5
– El primer LASER construído por Theodore H. Maiman en 1960
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El
cristal de rubí está compuesto por óxido de aluminio, donde algunos de sus
átomos han sido reemplazados por átomos de cromo. El cromo le da al rubí
su color rojo. En un láser de rubí, un cristal de rubí se coloca dentro de
un cilindro reflectante de aluminio pulido. Un espejo totalmente
reflectante se coloca en un extremo del cristal de rubí y un espejo
parcialmente reflectante en el otro extremo. Una lámpara de flash de alta
intensidad está en espiral alrededor del cristal de rubí, para proporcionar un
destello de luz blanca que dispara la acción del láser, excitando los
electrones en los átomos de cromo a un nivel de energía más alto (absorción). Al
volver los electrones a su estado normal o fundamental (emisión espontánea),
los átomos del cristal de rubí emiten fotones, produciendo su característica
luz roja. Algunos de estos fotones se mueven en una dirección paralela al
eje del cristal de ruby, por lo que los
espejos reflejan parte de esta luz hacia adelante y hacia atrás dentro del
cristal de rubí, estimulando a otros átomos de cromo excitados para que emitan
fotones, produciendo más luz roja (emisión estimulada), Los fotones que escapan
por el espejo parcialmente reflectante, forman un haz muy concentrado de
potente luz láser.
En
la Fig.6 , vemos
una fotografía del Dr Maiman con partes de su LASER rubí.
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Fig.6
- Theodore Maiman con partes del primer láser, en
Hughes
Research Laboratories.
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La inversión de la población
En
el cristal, antes de conectar la lámpara de flash, los átomos se encuentran en
su estado fundamental y decimos que la población de atomos no excitados es
del 100%. A medida que los destellos de la lámpara de flash van excitando
átomos, más y más electrones pasarán al estado de mayor energía y entonces
decimos que la población se está invirtiendo.
Cuando la mayoría de los átomos del cristal se encuentren excitados, diremos
que se ha producido una inversión de la población, porque el
estado de cosas habitual en los átomos se intercambia (se invierte).
Para que un LASER funcione, es necesario que se produzca una inversión
de la población lo mayor posible. La explicación está en que nos interesa que
los fotones que se van produciendo impacten sobre átomos excitados, para que
los estimulen y emitan fotones en fase. No queremos que los fotones que se van
produciendo impacten sobre átomos en su estado fundamental,
porque estos los van a usar para excitarse. Lo que buscamos es una reacción en
cadena de fotones estimulados, para que estando en fase, se puedan sumar unos
con otros y permitirnos obtener un haz de luz potente altamente concentrado.
El estado metaestable
Hasta ahora hemos hablado de dos estados posibles para
los átomos del cristal del laser, pero la realidad es que a los fines de poder
mantener los átomos en estado excitado durante más tiempo, que 0,1 micro
segundos, aumentando la probabilidad de que sean estimulados por fotones, se
eligen materiales para los cristales que tengan un estado metaestable. De
hecho, el laser rubí del Dr Maiman tenía esa propiedad, como lo muestra en una
nota que publicó en 1960 en la revista Nature: http://laserfest.org/lasers/history/paper-maiman.pdf
.
Este estado metaestable tiene una energía algo menor que
el estado excitado que habíamos considerado hasta ahora y un tiempo de vida de
los átomos en él mucho mayor, del orden de 1 milisegundo. De esta forma resulta
mucho más simple obtener la inversión de la población.
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Fig.7
– Cristal compuesto por átomos de 3 estados. El ground state,
es
un término que también se usa para llamar al estado fundamental.
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Un
LASER de tres estados nos permite tener pulsos de luz a su salida, como se
muestramn en la Fig.8. Para
¿Es la luz del LASER monocromática?
Un haz de luz nunca tiene exactamente una frecuencia. Incluso
un solo bit de luz (un fotón) nunca tiene exactamente una frecuencia. Es
fundamentalmente imposible que un fotón tenga exactamente una frecuencia. Los
rayos láser pueden estar muy cerca de tener una frecuencia, pero nunca pueden
tener exactamente una frecuencia. Dicho de otra manera, cada haz de
luz físico tiene una extensión de frecuencias.Cuando un haz de luz tiene una
muy pequeña dispersión de frecuencias, a menudo lo llamamos "monocromático". La palabra
monocromática no significa que exista una sola frecuencia en la luz. Más
bien, pretende implicar un rango muy estrecho de frecuencias contenidas en la
luz, de modo que, para muchos propósitos prácticos,
podemos aproximar la luz como que solo contiene una frecuencia.
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Fig.8 – Salida pulsante de un LASER “monocromático”. El espectro de
frecuencias, para que sea
realmente monocromático, debería ser un segmento de recta vertical, con
ancho cero.
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El premio Nobel
de Física 2018
El premio Nobel de Físca 2018 fue otorgado a tres científicos por sus
trabajos sobre el LASER (Fig.9).
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Fig.9 - De
izquierda a derecha: Gérard Mourou, Donna Strickland y Arthur Ashkin.
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El
estadounidense Arthur Ashkin, de 96 años, se llevó la mitad del premio,
mientras que el francés Gérard Mourou, de 74 años, y la canadiense Donna Strickland,
de 59 años, compartirán la otra mitad, precisó en el jurado de La Real Academia de
Ciencias de Estocolmo.Arthur Ashkin ha sido reconocido por inventar la
pinza óptica, un instrumento científico que emplea un rayo láser y que es capaz
de captar y mover partículas, átomos, virus y otras células utiizando haces de
luz. En 1987 esta herramienta demostró su gran potencial al lograr capturar
bacterias vivas sin dañarlas. Fue entonces cuando Ashkin comenzó a investigar
los sistemas biológicos. Hoy en día, las pinzas ópticas son muy usadas para
investigar lo que los científicos denominan la maquinaria de la vida.
Por
su parte, Gérard Mourou y Donna Strickland desarrollaron un
método, conocido como CPA - Chirped pulse amplification, para generar pulsos ópticos ultracortos y de alta
intensidad, una técnica con aplicaciones en la industria y la medicina. Su
revolucionario artículo fue publicado en 1985 y fue la base de la tesis
doctoral de Strickland. (Fig.10)
CPA - Chirped pulse amplification, es una técnica para amplificar un
pulso de láser ultracorto hasta el nivel del petavatio (1015 vatios) consistente en descomponer
el pulso de láser en sus componentes espectrales y luego amplificarlos desplazados
en el tiempo, para volver a unirlos y obtener un pulso laser de muy alta
potencia. Con este procedimiento se evita la destrucción y deterioro
de los instrumentos ópticos utilizados en la amplificación, como sucedería si
se tratara de amplificar el pulso original de LASER.
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Fig.10 - Chirped pulse amplification, en español “Amplificación de pulso
gorjeado”
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Referencias
Muy buen artículo. Realmente excelente. Muchas gracias
ResponderEliminarComo siempre, felicitaciones Ingeniero!!! nunca dejo de aprender... Gracias!!
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