El Láser, palabra que se formó con la primera letra de cada palabra de la frase en inglés Light Amplification Simulated Emission of Radiation (amplificación de luz por emisión estimulada de radiación) ha ampliado repentina y gradualmente los horizontes de la óptica.
Cuando se descubrió surgió por accidente, no originado por una necesidad, hubo que comenzar a buscar para qué era útil. Al decir accidente quiere decir que las investigaciones, originalmente dirigidas a otro fin, llevaron inesperadamente al descubrimiento del láser. Debido a esto se decía en broma: - el láser es una solución en busca de un problema que resolver-.
El fenómeno de emisión estimulada de radiación, enunciada por Albert Einstein en 1916, constituye entonces, tal como dije en la entrada anterior, la base de la tecnología empleada en la fabricación de dispositivos láser.
Antes de proseguir voy a definir el Fotón, término introducido por la mecánica cuántica en la teoría electromagnética, para designar una partícula de luz, o un cuanto de energía electromagnética.
Para entender la emisión estimulada es necesario apuntar el concepto de átomo. El átomo esta integrado por un núcleo, formado por un conjunto de protones y neutrones, y por una serie de electrones emplazados a determinada distancia, alrededor del núcleo. Electrones, protones y neutrones son las tres partículas básicas.
Los electrones poseen una masa muy pequeña y carga negativa. Por su parte, los protones y neutrones tienen aproximadamente la misma masa, pero mientras los primeros poseen carga eléctrica positiva, los neutrones carecen de carga. Los electrones del átomo, cuya energía depende de su distancia al núcleo, pueden encontrarse en estado excitado - con una energía superior a la normal - o en reposo. En el estado excitado, el electrón almacena una determinada proporción de energía.
Si el electrón de un átomo está en una órbita interior, puede pasar a una exterior solamente si absorbe energía del medio que lo rodea, generalmente en la forma de un fotón luminoso. Este es el proceso de absorción. Si el electrón se encuentra en una órbita exterior, puede caer a una órbita interior si pierde energía, lo cual puede también suceder mediante la emisión de un fotón. Este proceso se denomina emisión.
En virtud del proceso de absorción, cuando un fotón choca con un electrón no excitado, puede hacer que pase al estado de excitado. Habitualmente, un electrón que resulta excitado, al cabo de un tiempo pasa nuevamente al estado de reposo, emitiendo al pasar un fotón. Este fenómeno es conocido como emisión espontánea. Ahora bien, un electrón puede ser inducido a liberar su energía almacenada. Si un fotón pasa al lado de un electrón excitado, éste retorna al estado no excitado a través de la emisión de un fotón de luz igual al que pasó junto a él inicialmente. Este proceso se conoce como emisión estimulada y constituye el fundamento del láser.
Veamos entonces cuales son los componentes del láser. El láser esta formado por un núcleo, que suele tener forma alargada, donde se generan los fotones. El núcleo puede ser una estructura cristalina, por ejemplo rubí, o un tubo de vidrio que contiene gases, por lo general dióxido de carbono o la mezcla de helio-neón.
Son materiales que poseen electrones fácilmente excitables y que no emiten inmediatamente de forma espontánea, sino que pueden quedar excitados durante un tiempo mínimo. Es precisamente este pequeño intervalo de tiempo el que se necesita para que los electrones produzcan emisión estimulada, no espontánea.
Junto al núcleo se halla el excitador, un elemento capaz de provocar la excitación de electrones del material que se halla en el núcleo, a partir de una lámpara de destello - que provoca un flash- o de dos electrodos que produzcan una descarga eléctrica de alta tensión.
El tercer componente del láser son dos espejos paralelos emplazados en los extremos del núcleo. Uno de ellos es reflectante, mientras que el segundo es semirreflectante, es decir, permite el paso de una parte de la luz que le llega.
Cuando se verifica la excitación, gran cantidad de electrones pasa al estado excitado y, una gran mayoría, permanece en dicha situación durante un determinado intervalo de tiempo. No obstante, algunos realizan una emisión espontánea, generando fotones que se desplazan en todas direcciones. Aunque en su mayoría se pierden por los laterales, donde no hay espejos, un pequeño número rebota entre los espejos y pasa por el interior del núcleo, que es transparente.
Al pasar por el núcleo, provocan la emisión estimulada de nuevos fotones en la misma dirección. Estos nuevos fotones rebotan también en los espejos, originando, a su vez, la emisión de más fotones, y así sucesivamente. Puesto que uno de los espejos es semirreflectante, una parte de los fotones, en lugar de rebotar, escapa, formando una especie de chorro muy fino: es el rayo láser visible.
Reza el dicho: una imagen vale más que mil palabras, el siguiente vídeo, elaborado por el Profesor Hugo Vizcarra, muestra de un modo simple y gráfico, lo hasta aquí apuntado.
Como siempre, si quieres ampliar lo desarrollado en esta entrada puedes recurrir a este sitio, también en este encontrarás más detalles.
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