Dr. Hilario Robledo INTRODUCCIÓN La luz es una forma

Física Básica, Dr. Hilario Robledo
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Dr. Hilario Robledo
INTRODUCCIÓN
La luz es una forma fundamental de energía con numerosas aplicaciones médicas. A
nivel cuántico, la luz se compone de unidades de energía denominadas fotones. Cada fotón
transporta una cantidad pequeña de energía. La luz es también una onda electromagnética. El
espectro electromagnético abarca desde las ondas de radiofrecuencia baja a los rayos gamma
que tienen una gran cantidad de energía. La energía transportada por cada fotón está determinada por su longitud de onda, que en el caso de la luz visible se corresponde con su color. El
término láser es un acrónimo del inglés light amplification by stimulated emission of radiation
(amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación). La emisión estimulada es un proceso cuántico mediante el cual un fotón puede estimular la creación de otro fotón, como se explicará más adelante en esta sección, interaccionando con un átomo o una molécula excitados.
El láser actúa bombeando numerosos átomos al estado excitado y se puede producir una gran
cantidad de emisión estimulada. La luz láser es típicamente monocromática, lo que significa que
se compone de una luz de una única longitud de onda. Una segunda característica de los láseres
es la coherencia, que significa que todas las ondas de luz, sus crestas y sus valles, se propagan en
la misma fase en el espacio y en el tiempo (coherencia temporal y espacial). La otra gran característica de la luz láser es la colimación, lo que permite al haz láser viajar grandes distancias sin
producirse divergencias con lo que se puede enfocar en un punto igual a su propia longitud de
onda. Estas propiedades del láser permiten obtener estudios de imagen únicos in vivo como la
microscopia confocal y la tomografía de coherencia óptica.
Los láseres también son capaces de producir pulsos de luz cortos y alta densidad de energía lo que les permite en herramientas establecidas para realizar procedimientos quirúrgicos
de alta precisión y tratamientos de objetivos selectivos desde la descripción de la fototermólisis
selectiva por Anderson y Parrish en 1983, anteriormente los láseres se utilizaban principalmente
para la destrucción tisular no específica.
Cuando se trate a un paciente en concreto con una máquina láser en particular o similar,
es esencial la combinación de los conocimientos fundamentales tanto de la patología a tratar
como de la ciencia del láser, la observación cuidadosa de los resultados clínicos apropiados,
la destreza y la experiencia clínica que un conjunto de instrucciones o parámetros que se han
aprendido o anotados previamente al tratamiento.
ESTRUCTURA DE LA MATERIA
La experiencia cotidiana sugiere que es posible subdividir la materia indefinidamente en
fragmentos más pequeños por medios mecánicos. No obstante, ahora definitivamente sabemos
que hay un límite que es de alrededor de 1 mm de diámetro. A estos fragmentos se les denomina
moléculas y que no pueden subdividirse mediante medios mecánicos, debe realizarse mediante
procesos químicos o físicos. Los átomos son los fragmentos completos más pequeños de toda la
materia que nos rodea.
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El concepto de átomo es muy antigua, pero se convirtió en una realidad física hace más
de 100 años. Aunque los átomos son los fragmentos completos más pequeños de la materia, que
se componen de partículas aún más pequeñas. Para subdividir los átomos en estas partículas, se
requieren métodos muy elaborados y no mecánicos. Los experimentos de dispersión de Rutherford demostraron la composición de los átomos: electrones cargados negativamente, protones
cargados positivamente y neutrones eléctricamente neutros. Los protones y los neutrones están
concentrados en el centro del átomo, que constituyen el núcleo del átomo. Los electrones giran
alrededor del núcleo en una distancia muy grande, en términos relativos. El espacio entre los
electrones y el núcleo está vacío (Fig.1). El número de electrones, protones y de neutrones están
relacionados unos con otros. Esta relación es el
principio de ordenamiento de la Tabla Periódica de los elementos. El número de protones
determina el elemento real. En la actualidad, se
han encontrado 116 elementos, que están dispuestos en la Tabla Periódica de los elementos.
Ondas electromagnéticas y fotones
El campo electromagnético de la luz se
Figura 1. Átomo. Modelo atómico de Bohr. Fuente: En- compone de un campo eléctrico cambiante pecyclopædia Britannica, Inc.
riódicamente y un campo magnético ortogonal
(Fig. 2). La onda electromagnética no requiere
un medio para su propagación al igual que una
onda de sonido, lo que necesita es el aire. La luz
se mueve más rápido a través del vacío. La velocidad máxima de todas las ondas electromagnéticas es la velocidad de la luz:
c = 299 792 458 m s-1
Además de la velocidad, la longitud de
onda λ y la frecuencia υ caracterizan una onda
electromagnética. Todas estas cantidades se relacionan mediante la siguiente ecuación:
Figura 2. Presentación esquemática de la luz como una
onda electromagnética.
c=λ*υ
La Figura 4 representa el espectro de las
ondas electromagnéticas. El espectro de la luz visible es muy estrecho. En la física a sus regiones
adyacentes también se les llama luz. Las longitudes de onda más largas de la radiación visible
limitan con la radiación infrarroja cercana (IRC) y las longitudes de onda más cortas limitan
con las de la radiación ultravioleta (UV). Las ondas electromagnéticas muestran todas las propiedades de una onda (interferencia, difracción, refracción). Sin embargo, cualquier onda del
espectro electromagnético también puede considerarse una partícula, llamada fotón. Por otra
parte, es posible asignar propiedades de onda a cualquier partícula (onda de Broglie), denominada como la dualidad de onda-partícula. Para describir los procesos de láser, se utilizan los
términos de partícula o de la imagen de onda, dependiendo del punto de vista.
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Origen de la luz
Después de Rutherford, Bohr formuló los siguientes postulados en relación con
las órbitas de los electrones alrededor del núcleo:
Figura 3. Espectro electromagnético.
1. Los electrones ocupan ciertas órbitas fijas
(número cuántico principal).
2. Los electrones sólo pueden saltar de órbita
a órbita. Al hacer esto, tampoco emiten energía (emisión de radiación) o absorber energía (absorción de radiación), por ejemplo, en
forma de luz.
Si un electrón se mueve en una órbita de mayor energía, tiene la energía Ea, y si
ocupa una órbita con energía más baja, tiene
una energía Eb. Con el fin de describir claramente los procesos de absorción y emisión, la
física emplea una representación simple unidimensional. La energía de los electrones se
traza en una ordenada lineal, mientras que la
energía asignada a órbitas individuales permitidas se representa como una barra horizontal, llamado nivel de energía (Fig. 5). Esta
representación de la absorción es la transición de un nivel energético menor a uno más
alto. La partícula de radiación absorbida, el
fotón, tiene que tener sólo esta diferencia de
Figura 4. Transiciones de electrones y sus longitudes de
energía para que sea posible la absorción.
onda resultantes para el hidrógeno. Los niveles de energía
no están a escala.
La diferencia entre ambas energías produce:
Ea - Eb = hυ
donde Ea es la energía del electrón en el estado excitado, Eb es la energía en el estado inferior, h
es la constante de Planck 6.26617 x 10-34 Js, y υ es la frecuencia en Hz.
Los electrones en el estado excitado decaen espontáneamente después de un corto periodo de tiempo, alrededor de 10-8 segundos, a un estado de energía más bajo que se llama el estado
basal. En el estado basal el átomo es estable. Si un átomo excitado es impactado por un fotón que
tenga exactamente una energía Eab, cuando decaiga al estado Eb emitirá. En este caso, el fotón
original permanece; durante el decaimiento del átomo al estado Eb emitirá un fotón idéntico
(Fig. 7). A este proceso se le denomina emisión inducida. Ambos fotones tienen la misma energía, se emiten en la misma dirección y tienen un lugar en el espacio y en el tiempo. Todos estos
fenómenos son condiciones indispensables para la existencia del láser.
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Figura 5. Representación de átomo excitado
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Figura 6. Representación de emisión espontánea
Figura 7. Representación de emisión estimulada
Figura 8. Los electrones y la forma en que interactúan con los campos electromagnéticos son importantes en nuestra comprensión de la química y de la física. En la vista clásica, la energía de un electrón en una órbita alrededor de
un núcleo atómico es mayor para las órbitas que están más lejos del núcleo de un átomo.
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Física Básica de los Láseres
Amplificador con Retroalimentación
La emisión estimulada es un proceso de amplificación de fotones, por ejemplo, luz. Dependiendo de la longitud de onda de salida, su manifestación técnica es un láser (amplificación
de luz por emisión estimulada de radiación) o un máser (amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación) o un gráser (amplificación de rayos gamma por emisión estimulada de radiación).
A principios del siglo XX, mucho antes de la invención del láser (1960) y del máser (1954,
Charles Townes y Arthur Schawlow), ya era posible crear y amplificar la radiación electromagnética de onda larga (radiofrecuencia, radiodifusión). Meissner logró un avance importante al
desarrollar el amplificador realimentado. La alimentación de nuevo de un pequeño porcentaje
de la producción de la señal en la entrada de un amplificador de una potencia relativamente
baja, produjo una gran amplificación. Esta disposición del amplificador y la retroalimentación
es un sistema auto-excitado (free running), un circuito oscilante (Fig. 9).
Figura 9. Un láser se compone de un amplificador (emisión inducida) y una disposición de
realimentación (espejo) en analogía a un transmisor de alta frecuencia (radiodifusión, televisión).
Si la energía de realimentación que alimenta en la entrada del amplificador de realimentación supera las pérdidas que se producen en el interior, la señal dentro del amplificador, por
lo que su señal de salida aumentará indefinidamente, al menos teóricamente. En la práctica, los
efectos de saturación limitan la señal de salida a valores muy grandes. Al mismo tiempo la señal
de salida se hace independiente de la señal de entrada. El amplificador de retroalimentación,
que sí tiene solamente la amplificación limitada, se ha convertido en un oscilador de funcionamiento libre. Este estado de auto-excitación sólo puede lograrse mediante un amplificador de
retroalimentación, debido al ruido interno siempre presente del amplificador.
El láser puede ser entendido en analogía con las características de las técnicas de radio-frecuencia descritas anteriormente. Esto significa que el láser es sólo un amplificador de
retroalimentación de radiofrecuencia con diferentes bloques de construcción - debido a las muy
altas frecuencias (millones de lionfold más altos que en la radiodifusión).
Para construir un láser que es necesario encontrar materiales, llamados medios de láser,
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donde el efecto de la emisión inducida produce una suficientemente alta amplificación. Estas
sustancias constituyen los amplificadores. Además, debe establecerse un sistema de retroalimentación eficiente. Para realizar esto, es necesario una disposición de espejos que reflejen la luz
que sale del medio láser de nuevo en él, a tal disposición de espejos se le denomina resonador.
Mediante la utilización de bloques de construcción adicionales colocados en el bucle de realimentación, la señal de salida puede ser influenciada de la misma manera como en los transmisores de radio descritos anteriormente. (Ejemplos: de banda estrecha o filtros sintonizables para
ajustar la frecuencia de salida, interruptores utilizados para los cambios a corto plazo del factor
de calidad con el fin de liberar en un plazo muy corto de tiempo toda la energía almacenada en
el interior del oscilador.)
Figura 10. Intensidad de salida de un amplificador de retroalimentación
en función de la potencia de bombeo normalizado W. A partir de W = 1 la
potencia suministrada por el amplificador supera sus pérdidas y el sistema
funcionará como un oscilador de funcionamiento libre.
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DISEÑO DEL LÁSER
El Proceso del Láser
El proceso de emisión estimulada es la base de la amplificación del láser. Para utilizar
este proceso, es necesario primero elevar un electrón de un átomo (ion, molécula, sólido) de un
nivel de energía menor en uno más alto. Para lograr la amplificación láser esta condición se debe
lograr no sólo para un solo átomo, sino para una gran congregación entera de átomos. En consecuencia, el número de átomos poblados con niveles superiores siempre debe ser mayor que el
número de ocupación de los niveles más bajos del láser. A esto se le llama “población inversa”.
¿Cómo es posible lograr una población inversa?
El calentamiento térmico no es factible debido a que, según la ley de radiación de Planck
(Figura 11), los niveles más altos de energía nunca están más poblados que los inferiores. La
irradiación mediante luz (bombeo óptico) de un sistema que solo tiene dos niveles de energía
simplemente logrará una población igual de ambos niveles. Esta función es independiente de
la intensidad de bombeo. La razón es que una alta intensidad de bombeo no sólo rellenará los
niveles superiores sino que, al mismo tiempo, induce una cantidad igual de emisión, despoblando así los niveles superiores. Consecuentemente, el bombeo óptico no puede lograr la inversión
de una población de un sistema de dos niveles. Sin embargo, los sistemas de tres niveles y los
sistemas multiniveles se comportarán de manera diferente.
Figura 11. De acuerdo con la ley de radiación de Palnck la relación n2/n1 de los números de ocupación cambian hacia 1 durante
el calentamiento térmico. Es imposible alcanzar la inversión de la
población.
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Sistemas de tres niveles
El bombeo desde el nivel más bajo 1 al nivel superior 3 de un sistema de tres niveles
(Figura 11), una emisión espontánea desde el nivel 3 puede llenar el nivel intermedio 2. Si el
tiempo de vida de este nivel es relativamente largo, su población aumentará con e tiempo. Con
la utilización de una intensidad de bombeo muy alta es posible aumentar la población de este
segundo nivel por encima del nivel del láser más bajo (estado basal).
La inversión de población se deteriorará rápidamente tan pronto como comienza la acción láser. En general, la intensidad de bombeo es insuficiente para mantener la inversión de la
población de forma permanente. Los láseres de tres niveles son principalmente láseres pulsados.
Sistemas de cuatro niveles
La extensión de un sistema de res niveles con un nivel adicional 2’ situado entre los niveles 1 y 2 (Figura 13) puede pasar por alto los problemas resultantes de la duración corta de una
población inversa del sistema de tres niveles. Si el nivel adicional 2’ tiene una vida muy corta y
si la transición láser tiene lugar de 2-2’, entonces el nivel 2 ‘se vaciará de manera constante en el
estado basal, tan pronto como comienza la acción láser. Para esta configuración, incluso una intensidad de bombeo muy baja asegurará una inversión de población constante entre los niveles
2 y 2’. Por lo tanto, el láser de cuatro niveles se pueden ejecutar en modo de onda continua (oc/
cw).
Todos los modos de excitación deben configurarse de tal manera que los cambios en
la población de los diversos niveles sean un proceso circular. Sólo entonces se terminan los
Figura 12. Para un sistema láser de tres niveles es posible lograr una mayor población de nivel, en comparación con el estado basal, mediante un bombeo muy
intenso del nivel 1 al nivel 3.
Figura 13. Para un sistema de láser de cuatro niveles es
posible alcanzar, a pesar de un bombeo débil en el nivel
2 de larga duración, una población inversa en comparación con la vida corta del nivel 2, debido a que su vida
corta se vacía de inmediato.
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Figura 14. Si el nivel láser inferior se vacía parcialmente
en un nivel triplete metaestable, el proceso láser cesa
después de un corto período de tiempo; con el aumento
de tiempo de toda la población se acumulará en el nivel
triplete.
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cambios en el estado basal y los niveles superiores de nuevo pueden estar listos para un nuevo
ciclo de bombeo. En muchos casos, estos ciclos
de bombeo terminarán, al menos parcialmente,
en los llamados “niveles triplete metaestables”
(Figura 14). En general, estos niveles no se desintegran al estado basal, y con el tiempo todos
los átomos serán bombeados a este estado metaestable. Entonces estos niveles ya no estarán
disponibles para el ciclo de bombeo láser y la
acción del láser cesa. Este problema puede ser
solucionado, al menos parcialmente, por un intercambio continuo del medio láser mediante
bombeo. Otra posibilidad es la adición de un
gas llamado tampón. En este caso, el tiempo
de vida de los niveles metaestables se acortarán
por colisiones con el gas tampón.
Medio Láser
Las sustancias pueden ser utilizadas como medio láser solo si se puede generar en ellas
una población inversa. Muchas de las siguientes sustancias son adecuadas:
1. Átomos libres, iones, moléculas, y iones moleculares en los gases y vapores.
2. Moléculas colorantes disueltas en líquido.
3. Átomos y iones que están incorporados en el interior de un sólido.
4. Semiconductores dopados.
5. Electrones libres.
El número de medios adecuados para la acción láser y el número de transiciones láser
es tan grande en la actualidad que podrían llenar un libro entero. Para el elemento neón solo, se
han observado al menos 200 transiciones láser diferentes.
Dependiendo del tipo de medio, se distingue entre el estado gaseoso y líquido, y entre los
semiconductores y los láseres de estado sólido. Como curiosidad, cabe señalar que la respiración
humana; que consiste en dióxido de carbono, nitrógeno y vapor de agua, es adecuado como un
medio de láser, formando un láser de CO2 débil. Incluso algunas variedades de ginebra seca
fueron utilizadas como medios de láser, ya que contienen una cantidad suficiente de quinina
fluorescente en la región azul del espectro visible.
Por ahora se conocen las líneas láser desde el asgo espectral del utravioleta (100 nm) al
infrarrojo lejano. El láser no se transforma a la perfección en el máser (Nota: Un máser es un
amplificador de microondas por la emisión estimulada de radiación, un amplificador similar
al láser pero que opera en la región de microondas del espectro electromagnético y sirve para
recibir señales muy débiles. La palabra deriva del acrónimo en inglés MASER, por Microwave
Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Se está llevando a cabo una búsqueda intensiva para encontrar láseres en la región de los rayos X (Figura 16).
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Figura 15. Tipos de láseres médicos más populares.
Las aplicaciones médicas actualmente están restringidas a los láseres de CO2, Ar, Kr,
Nd:YAG continuo y pulsado. Los tipos de láseres cono los neodimios de frecuencia doblada, excímero:YAG, Er:YAG, Ho:YAG y los láseres de vapor de metal también han entrado en el arsenal
médico.
También es posible distinguir entre láseres emisores de líneas discretas, es decir, dentro
de una sola banda de longitud de onda muy estrecha y los que emiten dentro de un rango de
longitud de onda mucho más amplia.
Figura 16. Representación esquemática del espectro electromagnético.
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