Son realmente pocos los descubrimientos científicos de este siglo que hayan tenido una repercusión tan profunda en nuestra vida científica y tecnológica como la ocasionada por el láser. Este instrumento ha permitido en muchas ramas de la ciencia un avance sin precedente que, sin él, no hubiera sido posible. Asimismo, son innumerables las aplicaciones del láser en diferentes campos tecnológicos. Ha permitido solucionar tantos problemas científicos y tecnológicos que se le llegó a definir como "instrumento que es solución en busca de problemas".
LUZ Y MATERIA El desarrollo del láser, como el de cualquier otro descubrimiento importante, fue posible gracias a los avances previamente logrados en otras disciplinas científicas. En el caso que nos ocupa, estas disciplinas las encontramos fundamentalmente en la física moderna y, en particular, en la parte de ésta llamada mecánica cuántica. A su vez, el germen que dio origen a la mecánica cuántica lo encontramos en el siglo XIX, cuando los científicos de la época trataron de encontrar la distribución del espectro emitido por un cuerpo caliente. Por tanto comenzaremos nuestra exposición aquí.
RADIACIÓN TÉRMICA Si calentamos un objeto a 200° C podremos notar al acercar la mano a éste que emite cierta radiación invisible llamada calor o radiación infrarroja. Si ahora aumentamos la temperatura del objeto hasta 600° C (la que produce por lo común una estufa eléctrica) notaremos que una tenue luz roja empieza también a ser emitida. Aumentando la temperatura del objeto a 2 000° C (la del filamento interno de un foco eléctrico) emitirá radiación visible de color amarillo y si seguimos aumentando continuamente la temperatura el color que observaremos será progresivamente, azul, violeta, etc.
LOS CUANTA DE ENERGÍA El problema de la radiación térmica también conocido como el problema del "cuerpo negro", fue resuelto por Max Planck en el año de 1900. Así se inició una de las más importantes ramas de lo que ahora llamamos física moderna. Planck halló la solución al postular que la energía de una onda electromagnética (o cualquier otro sistema oscilante) puede existir en forma de paquetes llamados cuanta. La energía E de cada cuanta es directamente proporcional a la frecuencia de oscilación. Esto es E = hv donde h es una constante universal, hoy conocida como constante de Planck y que vale h = 6.6256 x 10 -34 joules-segundo.
ÁTOMOS Y TRANSICIONES ELECTRÓNICAS El primer modelo "moderno" del átomo fue proporcionado por Ernest Rutherford. Este modelo estaba basado en sus resultados experimentales que mostraban conclusivamente que el átomo está formado por un núcleo muy masivo con carga positiva, alrededor del cual giraban los electrones, con carga negativa, formando un sistema similar a un pequeño sistema planetario. El problema fundamental de este modelo estaba en que, de acuerdo con la teoría electromagnética clásica, una partícula cargada como un electrón, girando en una órbita, debería radiar ondas electromagnéticas y perder así rápidamente toda su energía. Es decir, un átomo sería un sistema inestable en el cual sus electrones se colapsarían siguiendo órbitas espirales hacia el núcleo atómico y emitiendo en el proceso un breve destello de radiación electromagnética de una cienmillonésima de segundo. El universo, tal como lo conocemos, no podría existir. Nuevamente, como en el problema de la radiación térmica, la física clásica era incapaz de proporcionar una respuesta congruente con la observación experimental. Quien solucionó en 1913 esta paradójica situación fue el físico Niels Bohr al proponer un modelo atómico en el cual los electrones únicamente pueden encontrarse en un número discreto de órbitas alrededor del núcleo; para que un electrón pase de una órbita a otra debe emitir o absorber, según el caso un cuanto de energía.
INTERACCIÓN ÁTOMO-CUANTO Ahora enunciaremos los procesos básicos de interacción entre la materia y la radiación electromagnética que en su más pequeña escala se reducen a los procesos de interacción entre átomos y cuantos de energía de radiación electromagnética. Supondremos un sistema atómico elemental con dos niveles de energía E1 y E2 en el cual el primer nivel corresponde a un electrón en su órbita inferior y el segundo nivel corresponde a un electrón en su órbita superior. En el primer caso diremos que el átomo se encuentra en su estado base y en el segundo caso en su estado excitado. Como vimos en la sección anterior, este sistema atómico
sólo podrá interaccionar con cuantos que tengan una energía E igual a la diferencia de energía E = E2 - E1. Por lo tanto, la frecuencia v asociada a dichos cuantos de energía es E2 - E1 v = h En tal caso diremos que la interacción átomo-cuanto es un proceso resonante. En este libro sólo consideraremos interacciones resonantes. Por brevedad, de ahora en adelante llamaremos fotón a un "cuanto de radiación electromagnética".
AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS En raras ocasiones nos hallaremos en una situación en la que debamos considerar la interacción de un solo átomo con un solo fotón, tal como hemos hecho en el capítulo anterior. En vez de esto tendremos la interacción de un gran número de fotones con una enorme cantidad de átomos. Debemos por tanto discutir esta última situación y obtener resultados que nos permitan saber cuál será el resultado neto de la interacción entre grandes cantidades de átomos con fotones para posteriormente comprender qué es un amplificador y un oscilador láser.
ABSORCIÓN Y AMPLIFICACIÓN DE LUZ En esta sección discutiremos cómo podemos describir la interacción de grandes cantidades de fotones con átomos.
AMPLIFICADORES ÓPTICOS Contamos ahora con las ideas básicas necesarias para la comprensión del funcionamiento de un amplificador óptico, también conocido como amplificador láser. Este es un sistema tal que al introducirle un flujo inicial de fotones Si nos proporciona en su salida un flujo final de fotones Sf mayor que el flujo inicial Si. Dichos amplificadores ópticos generalmente tienen un aspectoes decir, un cilindro por un extremo del cual entra en flujo inicial de fotones Si y otro por el cual sale el flujo final de fotones amplificado Sf.
OSCILADOR ÓPTICO Después de exponer el principio básico de operación de un amplificador óptico, podemos fácilmente comprender el principio de funcionamiento de un oscilador óptico, también conocido como oscilador láser, o simplemente láser. Consideremos una cavidad amplificadora con un sistema de bombeo, a la cual hemos colocado en sus extremos un par de espejos planos (o ligeramente cóncavos).
CONMUTACIÓN DE Q Como veremos en el próximo capítulo hay osciladores ópticos o láseres que operan en forma pulsada y otros que lo hacen en forma continua. En general, el tiempo que dura un pulso de luz láser producido por un láser pulsado depende de la duración del pulso óptico o eléctrico que produce el sistema de bombeo. Para muchas aplicaciones prácticas la duración de tales pulsos láser es bastante grande y la intensidad del pulso es demasiado pequeña. Por lo tanto, se han diseñado varias técnicas que permiten obtener pulsos láser de duración muy corta y de muy alta intensidad, características que son necesarias casi para toda aplicación de un láser pulsado. En esta sección veremos el principio de una de las más importantes técnicas para obtener pulsos cortos e intensos. Esta técnica es conocida como "conmutación de Q" (Q- Switching es el término original en inglés). En el estudio de los sistemas oscilantes se ha definido una cantidad llamada "factor de calidad", que se denota generalmente por la letra Q. Esta cantidad se define como el cociente de la energía E almacenada por el sistema oscilante dividido entre la rapidez con que dicha energía es perdida por el sistema. Como sabemos, la rapidez con que un sistema pierde energía se denomina potencia P. La expresión matemática para el factor de calidad es donde v, es la frecuencia del oscilador y p= 3.1416.
UN POCO DE HISTORIA Como hemos visto a lo largo de estos capítulos, los conceptos básicos que dieron origen al láser se remontan al siglo pasado, con el nacimiento de la física cuántica. La física cuántica, relativista y clásica forman los pilares básicos en que se sustenta la física moderna. Como se ha dicho, la física cuántica surgió gracias a la incapacidad de la física de la época, ahora conocida como física clásica, para explicar algunos fenómenos observados. El concepto básico de la física cuántica es, como vimos en el primer capítulo, el del "cuanto" de energía, introducido por Max Planck en 1900. A partir de allí se inicia un vertiginoso desarrollo de la física cuántica y en 1917 Albert Einstein introduce el concepto de emisión estimulada, idea básica en la cual se sustenta el láser.
SISTEMAS LÁSER ESPECÍFICOS EN ESTE capítulo presentaremos el detalle de operación de algunos de los más importantes sistemas láser. Aunque en los dos capítulos anteriores se ha supuesto que en la cavidad amplificadora tenemos átomos en los cuales ocurren los procesos de absorción y emisión, esto no es esencial. Los procesos anteriores pueden también ocurrir en otro tipo de sistemas microscópicos, como por ejemplo las moléculas, los iones atómicos o incluso los electrones libres. En general, cualquier sistema microscópico en el cual los procesos de absorción y emisión puedan ocurrir será llamado centro activo y el medio macroscópico que éstos forman se llama medio activo. Este último puede ser por ejemplo una mezcla gaseosa, un cristal, un semiconductor y varios otros. A pesar de las grandes diferencias que existen en la extensa variedad de láseres actuales, se puede lograr una clasificación general de éstos tomando como parámetro el tipo de medio activo y el tipo de sistema de bombeo que utilizan.
EL LÁSER DE RUBÍ Históricamente éste fue el primer láser que funcionó en el mundo. Fue construido por Theodore Maiman en 1960, quien usó como medio activo un cristal de rubí sintético. El rubí es una piedra preciosa formada por cristales de óxido de aluminio Al2O3, que contiene una pequeña concentración de alrededor de 0.05% de impurezas de óxido de cromo Cr2O3 (el óxido de aluminio puro, Al2O3, se llama zafiro). La presencia del óxido de cromo hace que el transparente cristal puro de óxido de aluminio se torne rosado y llegue a ser hasta rojizo si la concentración de óxido de cromo aumenta. La forma geométrica típica que adopta el rubí usado en un láser es la de unas barras cilíndricas de 1 a 15 mm de radio y algunos centímetros de largo. Características espectrales del láser del rubí.
ALGUNAS APLICACIONES DEL LÁSER DE RUBÍ Este láser ha sido utilizado con éxito en aplicaciones industriales, militares, médicas y científicas. No obstante, hay que mencionar que debido a lo costoso y complicado de fabricación de las barras sintéticas de rubí, desde hace algunos años este tipo de láser ha sido desplazado por láseres similares en concepción y diseño que utilizan como centros activos iones de neodimio. La diferencia básica entre ambos láseres está en la longitud de onda de emisión: en el láser de rubí es de 0.6943 mm y en el de neodimio de 1.064 mm. Por lo tanto, prácticamente en todas las aplicaciones que a continuación se describen debemos tener en mente que se puede usar indistintamente un láser de rubí o uno de neodimio. Entre sus aplicaciones industriales destaca su uso en la microperforación, así como en la producción de componentes electrónicos de precisión, como por ejemplo resistencias, en las cuales es necesario volatilizar muy pequeñas cantidades de material para fabricar resistencias de muy alta precisión.
LÁSER DE HELIO-NEÓN El láser de helio-neón fue el primer láser de gas que se construyó. Actualmente sigue siendo muy útil y se emplea con mucha frecuencia. Los centros activos de este láser son los átomos de neón, pero la excitación de éstos se realiza a través de los átomos de helio. Una mezcla típica de He-Ne para estos láseres contiene siete partes de helio por una parte de neón. Características espectrales del helio-neón La figura III.4 muestra el diagrama de niveles de energía para el sistema He-Ne. Ahí se exponen las tres transiciones láser más importantes, las cuales ocurren a 3.39 mm, 1.15 mm y 0.6328 mm. Puede notarse que los niveles del helio, espectroscópicamente denotados como 21S y 23S, coinciden con los niveles 3s y 2s del neón. Como veremos en seguida, este hecho es fundamental para la excitación de los átomos de neón. En este láser los centros activos son los átomos de neón y la inversión de población se logra entre los niveles 3s con 3p y 2p, así como entre 2s y 2p.
ALGUNAS APLICACIONES DEL LÁSER DE HE-NE Este láser es sin duda alguna uno de los más ampliamente utilizados tanto en investigación básica como para fines didácticos o industriales que no requieran altas potencias luminosas.
EL LÁSER DE ARGÓN IONIZADO Las transiciones radiativas entre niveles altamente excitados de gases nobles se conocen desde hace largo tiempo, y la oscilación láser en este medio activo data desde la década de los sesenta. Entre estos láseres, el de argón ionizado es el que más se utiliza, debido a sus intensas líneas de emisión en la región azul-verde del espectro electromagnético y a la relativa alta potencia continua que se puede obtener de él.
ALGUNAS APLICACIONES DEL LÁSER DE ARGÓN IONIZADO Dado que estos láseres pueden proporcionar potencias continuas de hasta 100 watts y también ser operados en forma pulsada, se les ha encontrado diversas aplicaciones médicas, técnicas y científicas.
LÁSERES DE BIÓXIDO DE CARBONO El láser de bióxido de carbono CO 2 es el ejemplo más importante de los láseres moleculares. El medio activo en este láser es una mezcla de bióxido de carbono (CO2), nitrógeno (N2) y helio (He), aunque las transiciones láser se llevan a cabo en los niveles energéticos del CO2. Como en seguida veremos, el N2 y el He son importantes para los procesos de excitación y desexcitación de la molécula de CO2. Características espectrales del CO 2 Las transiciones energéticas en una molécula ocurren debido a los cambios que ésta realiza en la energía almacenada en forma vibracional o rotacional.
ALGUNAS APLICACIONES DE LOS LÁSERES DE CO2 Las altas potencias proporcionadas por estos láseres han difundido su aplicación a varios procesos de manufactura y se ha logrado hacer eficiente la producción bajando al mismo tiempo los costos. Algunas de las principales aplicaciones de los láseres de CO 2 están en la industria metal-mecánica, plástica y textil, entre muchas otras. Son usados en el endurecimiento de metales así como en corte, soldadura y perforación.
LÁSER DE GAS DINÁMICO DE CO2 La diferencia fundamental entre un láser de gas dinámico y un láser convencional de CO2 radica en el método de bombeo empleado. En el láser de gas dinámico la radiación láser es producida al enfriar rápidamente una mezcla de gas precalentado que fluye a lo largo de una tobera hasta la cavidad del resonador. Por las altas potencias que es capaz de proporcionar se ha convertido en una importante alternativa para ciertas aplicaciones industriales.
ALGUNAS APLICACIONES DEL LÁSER DE GAS DINÁMICO En virtud de las altas potencias que se pueden alcanzar con estos láseres, sus aplicaciones son importantes y variadas, aunque limitadas a campos en los cuales se requieren muy altas potencias láser. Entre éstas destacan aplicaciones en la industria metal-mecánica para soldadura, corte y tratamiento de materiales. Por ejemplo, en la industria naval y aeroespacial es utilizado para el corte de placas metálicas con alta precisión, en donde la manipulación y control del láser se realiza por medio de robots y computadoras. Debido a su alta potencia, las aplicaciones militares de estos láseres también han sido objeto de estudio. Destruir objetivos militares en movimiento en tierra o aire ha sido ya exitosamente realizado.
LÁSER DE SOLUCIONES LÍQUIDAS ORGÁNICAS El medio activo en este tipo de láseres está compuesto por líquidos en los que se han disuelto compuestos orgánicos, entendidos estos últimos cómo los hidrocarburos y sus derivados. Estos láseres son bombeados ópticamente y como en seguida veremos, una de sus más importantes características radica en que pueden emitir radiación láser en anchas bandas de longitud de onda, es decir que son "sintonizables".
ALGUNAS APLICACIONES DE LOS LÁSERES DE LÍQUIDOS ORGÁNICOS En la actualidad hay mas de 200 líquidos orgánicos que pueden ser usados como medio activo para este tipo de láser. Se pueden obtener longitudes de onda de emisión desde el ultravioleta hasta el infrarrojo, y realizarse varias aplicaciones científicas en espectroscopía y excitación o absorción selectiva, entre muchas otras. Asimismo su utilización en el problema de la separación isotópica ha sido objeto de amplia investigación, principalmente al desarrollo de los programas nucleares de varios países. El Uranio natural U 238 contiene aproximadamente el 0.7% del isótopo mas ligero U 235, que es requerido por la industria nuclear. La idea básica para lograr la separación por medio de un láser de dichos isótopos se muestra en la figura III.16. Debido a la diferencia de masa entre los átomos U238 y U235 los niveles energéticos de sus electrones son también ligeramente diferentes, por lo tanto si utilizamos apropiado es posible ionizar tan solo los átomos de U235 dejando neutros a los átomos de U 238 . Después de un conjunto de campos magnéticos separa a los átomos ionizados de los neutros.
LÁSERES DE SEMICONDUCTORES Los láseres de semiconductores son los láseres más eficientes, baratos y pequeños que es posible obtener en la actualidad. Desde su invención en 1962 se han mantenido como líderes en muchas aplicaciones científico-tecnológicas y su continua producción masiva nos da un inicio de que esta situación se prolongará por mucho tiempo. Dispositivos Semiconductores
Hemos visto en el primer capítulo que podemos considerar a los átomos como pequeños sistemas solares con electrones girando en órbitas específicas alrededor de un núcleo con carga positiva. Los electrones localizados en la última órbita son llamados electrones de valencia y no son retenidos tan firmemente como los que se encuentran en las órbitas interiores.
ALGUNAS APLICACIONES DE LOS LÁSERES DE SEMICONDUCTORES Debido a su solidez y a sus reducidas dimensiones, estos láseres encuentran aplicación en cualquier área tecnológico-científica que demande un láser de no muy alta intensidad. Hoy en día, una de las aplicaciones principales de estos láseres se encuentra en los sistemas electro-ópticos de comunicación, en los cuales las líneas de transmisión por medio de cables eléctricos son sustituidas por fibras ópticas que tienen la ventaja de poder transmitir bastante más información que los cables eléctricos convencionales, además de ser prácticamente insensibles a perturbaciones eléctricas exteriores.
LÁSER DE ELECTRONES LIBRES Todos los sistemas láser anteriormente vistos basan su funcionamiento en la inversión de población lograda en un medio activo atómico o molecular. Por tanto, la longitud de onda a la cual el láser emite está inevitablemente determinada por los centros activos contenidos en la cavidad láser, es decir, por las transiciones energéticas permitidas a los átomos o moléculas de dicho madio.
ALGUNAS APLICACIONES DE LOS LÁSERES DE ELECTRONES LIBRES La mayoría de las aplicaciones de este tipo de láseres están apenas en investigación, pero por su utilidad destacan las relacionadas con el campo médico. Por otra parte, aplicaciones militares relacionadas con el proyecto de la iniciativa de defensa estratégica estadounidense, mejor conocido como "La Guerra de las galaxias", siguen en estudio. Uno de los objetivos es desarrollar sistemas láser colocados en la Tierra o en el espacio, capaces de destruir misiles nucleares.
MI OPINIÒN
El interès que suscita el làser està en relaciòn directa con la enorme importancia que su aplicaciòn ha cobrado en diversidad de actividades de nuestra veda. El làser de visente aboites nos informa con exantitud acerca de esta versàtil herramienta originada a partir de una de las hipòtesis màs fascinantes de la ciencia.
el làser tiene multiples aplicaciones.se utiliza en la industria militar y de armamentos; en tecnologia de la comunicaciòn, cirugia, procesos quimicos e industriales; tambièn interviene en la creaciòn de los hologramas . Esta obra de vicent5e aboites hace un analisis de los diferentes dispositivos; i8gualmente, incluye una cronologia y diversadad de cuadros que muestran los distintos y tipos del làser.
