Electrónica, Electricidad y Telecomunicaciones: Entendiendo qué es el LASER.

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.

Fig.2 – Un electrón pasa de una órbita de menor energía

a otra de mayor energía al absorber la energía de un fotón

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)

Fig.3 – Un electrón salta de una órbita de

mayor energía a otra de menor energía, en

forma espontánea, emitiendo un fotón.

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)

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).

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)

Fig.5 – El primer LASER construído por Theodore H. Maiman en 1960

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.

Fig.6 - Theodore Maiman con partes del primer láser, en

Hughes Research Laboratories.

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.

Fig.7 – Cristal compuesto por átomos de 3 estados. El ground state,

es un término que también se usa para llamar al estado fundamental.

Un LASER de tres estados nos permite tener pulsos de luz a su salida, como se muestramn en la Fig.8. Para poder tener una onda contínua a su salida es necesario usar materiales para el cristal que estén compuestos por átomos de 4 estados.

¿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.

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.

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).

Fig.9 - De izquierda a derecha: Gérard Mourou, Donna Strickland y Arthur Ashkin.

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.