Del LASER I Principio de funcionamiento del láser

 Del LASER I
Principio de funcionamiento del láser
Gilberto Basilio Sánchez
La palabra láser proviene del acrónimo en inglés Ligth Amplification by
Stimulated Emission of Radiation; en español, láser(1) significa
Amplificación de la Luz por la Emisión de Radiación Estimulada. Si bien
su nombre no arroja información alguna sobre su funcionamiento ni sus
características, si nos da una idea de que ellos se basan en principios de
la física relacionados con la amplificación de la luz. En un principio el
láser parecía ser una de esas curiosidades científicas que nunca saldría
del laboratorio de algunas universidades. Una vez se le llamó ?la
solución a un problema que no existía? y hoy por hoy es pieza
fundamental en el diseño, el arte, la medicina, en los sistemas de
telecomunicaciones; pieza y fuente de los sistemas de seguridad;
materia de trabajo de diversos grupos de investigación en el mundo y
un principio fundamental muy utilizado en la ingeniería y la industria.
Un láser es un dispositivo que produce una luz intensa cuya principal
característica es ser coherente. La coherencia se logra cuando las
amplitudes relativas de la onda del rayo de luz que se emite, están en
fase. Esto quiere decir que un láser genera luz que viaja en la misma
dirección de manera muy ordenada en tiempo y espacio. A los láseres
también se les considera como fuentes de luz cuasimonocromáticas;
esto es, que emiten luz a una sola frecuencia o en un solo color (o casi
de un solo color). Los láseres amplifican la luz generando un gran flujo
de energía de salida. Por ello se dice que los láseres son altamente
direccionales y muy brillantes.
Los láseres son dispositivos que generan y amplifican señales
electromagnéticas en frecuencias de radio, audio, microondas y luz. De
hecho, los primeros sistemas láser generaban microondas y se llamaban
MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).
Actualmente los láseres amplifican radiaciones de ondas en un gran
intervalo de frecuencias que van de ondas milimétricas hasta la región
de la luz visible, extendiéndose al ultravioleta y a los rayos X. Los
láseres se construyen con diversos materiales activos y pueden generar
luz de diferentes intensidades y colores.
Quizás el concepto más complicado del láser sea su principal
característica: la coherencia. Una de las mejores maneras para explicar
la coherencia de los rayos de luz es comparar la emisión láser con la de
una lámpara. El conjunto de rayos de luz que emite una lámpara normal
se produce en forma dispersa. Al prender un foco en la noche en
cualquier casa, se observa que la luz se emite en todas direcciones, por
eso sirven para iluminar. La luz que se produce en un sistema láser está
compuesta de rayos de luz juntos, ordenados e idénticos que se
transmiten en la misma dirección. Esta comparación se puede observar
en la figura 1.
Figura 1. Coherencia.
Comparación entre la emisión de luz de una lámpara normal y un láser.
Para producir una amplificación de la luz por radiación estimulada y
poder generar luz con características láser, deben conjugarse diferentes
elementos mecánicos, materiales activos, energía de alimentación y una
cavidad resonante. Son tantos los factores técnicos y el conjunto de
elementos que tienen que funcionar de manera precisa en un láser, que
suelen llamárseles también sistemas láser. Los elementos necesarios
para producir un sistema de este tipo se pueden agrupar en tres
categorías (figura 2):
1.Materiales activos o un medio láser. Éstos consisten en moléculas que,
mediante el suministro de energía externa, pueden generar ganancia a
la luz y amplificarla. En realidad los átomos se excitan y se produce una
emisión de fotones o rayos de luz al exterior. El medio activo pueden ser
también electrones, átomos o moléculas de diversos materiales
radiactivos.
2.Una fuente de suministro de energía externa o bombeo. Este proceso
excita las moléculas del medio activo; lo que equivale a poner sus
átomos en un nivel cuántico mayor. Una vez excitados, pueden emitir
fotones que se propaguen en el medio activo e ir generando más
fotones como ellos en producción en cadena. Todos los fotones generan
fotones iguales. Al ser iguales, se mueven igual y en conjunto generan
rayos iguales, rayos coherentes. Los medios de excitación pueden ser
electrónicos, de radio frecuencia, de sonido, eléctricos, e incluso de luz.
Para que exista una retroalimentación que haga que los fotones generen
más fotones, se debe producir un viaje en todo el medio de manera
reiterada; esto es se necesita un sistema de retroalimentación:
3.Un sistema de retroalimentación ajustable. Éste permite que los
fotones produzcan más fotones, y formen juntos un rayo de luz que
puede pasar por el medio activo, salir como rayo láser o regresar al
medio y continuar con el proceso de producir más fotones. Esta ida y
vuelta de un rayo de luz dentro del medio, es fundamental en el sistema
y es difícil de calibrar. Aquí surge el desafío de lograr que un rayo de luz
pase y regrese al material activo; esto se logra con espejos paralelos a
los que se les llama cavidad resonante.
Figura 2. Elementos básicos de un sistema láser.
Un medio láser o materiales activos (átomos excitados o no-excitados),
una fuente de suministro de energía o bombeo (excitación de luz o
eléctrica) y un sistema de retroalimentación (espejos).
Los medios activos definen muchas propiedades del láser,
principalmente el color o frecuencia de su emisión. Hay para todos los
gustos y colores: el neón que puede producir el rojo; el helio que
produce el verde; lo cristales de rubí que tienen muchas gamas de
colores y rangos de azul y los hay también de aleaciones; medios
líquidos, biológicos y hasta gases. Dependiendo de cada medio y de las
características de los fotones que en él se producen, se pueden ir
complicando los sistemas. Y hasta los espejos cambian, dejan de ser
metálicos, se vuelven de plástico y de vidrio con propiedades muy
particulares, por ejemplo la de dejar pasar un poco de luz y regresar el
resto. Pero el funcionamiento básico de todos los sistemas es el mismo y
se ilustra en la Figura 3 en ocho diferentes pasos.(2)
Figura 3. Funcionamiento Básico del Láser.
Es importante notar que los láseres pueden ser de emisión continua o
pulsada y que los nuevos diseños son los láseres de electrones, de
semiconductores sólidos y de fibra óptica. Cada uno tiene aplicaciones
muy particulares y con nuevos horizontes científicos que a veces resulta
igual de atractivo conocer.(3)
Se agradecen las sugerencias del doctor Roberto Ortega Martínez de
CCADET-UNAM en la revisión de esta nota.
Referencias
1. Del LASER y de sus procesos de básicos en la física cuántica, en
www.cienciorama.unam.mx
2. Oliver Lascar, ?Laser?, ficha del Science & Vie., pp 39-40, Tunisia,
Túnez, marzo del 2000.
3. De algunas de las aplicaciones del Láser, todas las figuras fueron
tomadas de Oliver Lascar, ?Laser?, ficha del Science & Vie., pp 39-40,
Túnez, marzo del 2000.