martes, 11 de agosto de 2009

El láser

En nuestro concepto moderno acerca de la naturaleza de la luz, considerada clásicamente para fines de análisis matemático como una onda electromagnética continua sin principio ni fin de acuerdo a la teoría del electromagnetismo de James Clerk Maxwell, tal onda electromagnética infinita no puede existir en virtud de que la luz está cuantizada en esos pequeños paquetitos viajeros llamados fotones, y de hecho cualquier tipo de radiación electromagnética está cuantizada, trátese de las ondas electromagnéticas de radio AM y de amplitud de modulada o de los signos de neón con los que se anuncian los centros nocturnos. Cualquier destello de luz, por pequeño que sea, está formado por una cantidad extraordinariamente grande de fotones. Un caso especial de fotones viajeros lo tenemos en la siguiente figura en la cual tenemos un conjunto de fotones moviéndose de izquierda a derecha:



Si observamos con detenimiento este enjambre de fotones que se está moviendo de izquierda a derecha, no tardaremos en descubrir un detalle muy curioso: cada uno de los fotones está en cierta forma “sincronizado” con respecto a todos los demás. No hay uno solo que viaje un poco “más adelante” o un poco “más retrasado” con respecto a sus compañeros de viaje. Poniéndolo en terminología más formal, decimos que todos los fotones están en fase. Cuando todos los fotones están en fase los unos con respecto a los otros, decimos que tenemos un estado coherente. Esta es una situación muy peculiar que no se dá espontáneamente en la Naturaleza de manera perceptible salvo en casos extraordinariamente excepcionales (como en el caso de la estrella MWC 349, la primera estrella con la cual se descubrió en 1996 el primer “láser natural” en el espacio exterior), tiene que ser provocada deliberadamente por el hombre. La luz diurna con la que llevamos a cabo nuestras actividades cotidianas, la cual de hecho está formada por fotones que abarcan una amplia gama de frecuencias (colores) ciertamente no es coherente, cada uno de los fotones está desfasado con respecto a los demás y los fotones viajan en direcciones diferentes. Inclusive la luz monocromática, aunque sea de un solo color, tampoco es coherente, porque los fotones también se desparraman en todas direcciones. Unicamente la luz cuyos fotones viajan en fase los unos con respecto a los otros es coherente, y este tipo de luz es producido por lo que hoy conocemos como el láser (del acrónimo en inglés LASER cuyo significado es Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation):




La luz coherente tiene una característica muy distintiva que la delata: siempre viaja en una misma dirección sin disminuír apreciablemente su intensidad en grandes distancias. Esto se debe a que si alguno de los fotones viaja a cierto ángulo con respecto a la dirección en que viajan todos los demás, la proyección de su longitud de onda λ sobre el eje a lo largo del cual se están desplazando todos los demás fotones dará necesariamente una longitud de onda más corta a lo largo del eje común, o sea una frecuencia diferente, y con una frecuencia diferente ese fotón no puede mantenerse en fase con respecto a los demás aunque su frecuencia medida a lo largo de la dirección en la que se mueve sea igual a la frecuencia de los demás fotones medida a lo largo de la dirección en la que se mueven, como podemos verlo en las siguientes figuras comparativas:









Esto implica necesariamente que un haz de luz generado un láser será monocromático, de una sola frecuencia, y cada uno de los fotones deberá estarse moviendo en una sola y misma dirección.

Históricamente, el primero en lograr la construcción de un láser capaz de generar un haz de luz visible fue Theodore Maiman, logrando su hazaña en 1960. El principio del rayo láser de Maiman en realidad es bastante sencillo, como lo ilustra el siguiente diagrama:




El rayo láser de Maiman consiste en una varilla de rubí, alrededor de la cual se enrolla una lámpara de flash neón, como nos lo muestra la siguiente fotografía de un láser de rubí miniaturizado:




Un extremo de la varilla de rubí tiene una superficie reflectora mientras que el otro extremo de la varilla es el que permite la salida del haz de luz. Se aplica una alimentación (fuente de energía eléctrica) a un condensador, y en cuanto el condensador tiene suficiente carga eléctrica almacenada se produce una descarga de luz en la lámpara espiral de flash, lo cual genera una destello de luz con suficiente energía para excitar los átomos de la varilla de rubí a un nivel energético superior, produciéndose un fenómeno conocido como la inversión de población en el cual habrá una cantidad mayor de electrones en una capa superior E2 que la cantidad de electrones que hay en una capa inferior E1 hacia la cual saltarán emitiendo los fotones láser en el proceso. Habiendo más electrones en una capa energética superior E2 que en una capa energética inferior E1, los fotones ya emitidos que provienen de la emisión de otros átomos en los cuales ya se dió la transición de E2 a E1 estimularán la emisión de los fotones en aquellos átomos que tienen electrones en la capa E2. Y los fotones producidos por esta emisión estimulada estarán en fase y serán de la misma frecuencia que los fotones que los ayudan a “salir fuera” por provenir ambos del mismo salto “hacia abajo” en las mismas capas energéticas. Este proceso puede ser visto como una especie de “amplificación” que aumenta la capacidad de generación de los fotones láser. Es por ello que la palabra láser significa “amplificación de luz por emisión estimulada de radiación”. La posibilidad de provocar este fenómeno de naturaleza eminentemente cuántica en un laboratorio ya había sido demostrada previamente, pero fuera del rango de frecuencias de visibilidad óptica, por el físico norteamericano Charles Townes en 1951, quien logró la construcción del primer máser (del acrónimo en inglés MASER cuyo significado es Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), y el proceso de formación de luz coherente ya había sido anticipado previamente por Albert Einstein desde 1916, de modo tal que Theodore Maiman ya estuvo trabajando sobre algo cuyo advenimiento era hasta cierto punto inevitable. (En 1928 Rudolf Landenburg informó haber obtenido la primera evidencia del fenómeno de emisión estimulada de radiación, aunque no pasó de ser una curiosidad de laboratorio, por lo que la teoría fue olvidada hasta después de la Segunda Guerra Mundial, cuando fue rescatada por Willis Eugene Lamb y R. C. Rutherford.)

En la siguiente fotografía tenemos la demostración de un puntero de luz láser de color verde:




La fotografía puede ser engañosa. En el vacío, el rayo laser es invisible porque siempre viaja en una sola dirección y sólo es posible verlo viendo directamente hacia la fuente desde donde es emitido con el haz apuntado directamente hacia uno. Cuando es posible ver el haz a lo largo de su trayectoria como lo indica la fotografía de arriba, ello se debe a la presencia de polvo o vapor de agua que desvía parte del haz en todas direcciones permitiendo que algunos fotones del mismo lleguen a nuestra retina.

Si enviamos un fotón (de la frecuencia adecuada) a cierto átomo para estimular a un electrón de valencia de un nivel energético E1 a un nivel energético superior E2 dentro del mismo átomo tras la absorción del fotón, hemos perdido el fotón y no tenemos aún dos fotones que muestren coherencia alguna. Peor aún, al regresar el electrón de su estado inestable en el nivel energético E2 al estado más estable que le ofrece el nivel energético E1, ni siquiera tendremos la seguridad de que en este proceso de emisión el fotón será emitido en la misma siguiendo la misma dirección de la cual venía. De este modo, lo que parece ser un solo proceso por la rapidez con la cual se lleva a cabo:



consta en realidad de dos procesos diferentes: la incidencia de un fotón elevando a un electrón en el átomo de un estado energético E1 a un estado energético superior E2, lo cual implica la destrucción del fotón al ser absorbido:


y un cierto tiempo después, en virtud de que el estado excitado del átomo es un estado inestable, el electrón vuelve a caer al nivel energético inferior emitiéndose un fotón en el proceso, el cual podrá salir disparado en otra dirección totalmente diferente:


Para que tengamos dos fotones coherentes necesitamos que un fotón de la frecuencia correcta impacte a un átomo que ya está excitado en el nivel energético superior E2 estimulando de este modo la emisión del fotón que se produce al caer el electrón del nivel superior E2 al nivel inferior E1:


De este modo, salen disparados dos fotones, el que impactó al átomo excitado, y el fotón que se produce con la caída del electrón del estado E2 al estado E1:



Nuevamente, los tiempos aquí son críticos. Si ya logramos estimular un átomo de un estado E1 a un estado E2, no durará mucho tiempo en ese estado, y el siguiente fotón tiene que impactar al átomo antes de que el átomo regrese a su estado basal. Pero si originalmente se requirió un fotón para subir al átomo de E1 a E2, requieriéndose otro fotón para producir los dos fotones coherentes, entonces para obtener dos fotones se requirieren dos fotones. ¿En dónde está pues la ganancia neta del láser? ¿Qué hemos ganado en esto? Parte de la respuesta radica en el hecho de que esperamos que los dos fotones coherentes vayan impactando otros átomos estimulados que encuentren en su camino, produciendo más fotones coherentes en cascada. Pero para mantener la coherencia, si como resultado de proceso de emisión estimulada no permitimos que salgan todos los fotones del rayo láser sino que de alguna manera reflejamos algunos de ellos con un par de espejos para que esos fotones retenidos puedan impactar otros átomos estimulados, entonces los fotones “reciclados” estarán en condiciones de poder producir más fotones coherentes. No importa que todos estos fotones coherentes no estén saliendo al mismo tiempo del rayo láser, lo que importan es que se mantengan en fase conforme van saliendo del rayo láser. Esto explica el por qué en el primer rayo láser construído por Theodore Maiman así como los rayos láser de otros tipos que vinieron posteriormente encontramos espejos reflectores (en el caso del rayo láser de rubí, un espejo totalmente reflector en un extremo de la varilla, y otro parcialmente reflector en el otro extremo de la varilla).

Con la intención pedagógica de que no haya duda posible acerca de lo que se ha discutido arriba, veremos a continuación unos gráficos animados que servirán para ilustrar aún más lo ya dicho. El siguiente gráfico animado nos muestra a un fotón viajando en camino para impactar con un átomo que se encuentra en su estado basal, impactándolo y desapareciendo con ello el fotón para hacer saltar al electrón como una nube de probabilidad del electrón que indica que el átomo se encuentra en un estado excitado, tras lo cual el electrón (o mejor dicho, su nube de probabilidad) cae nuevamente al volver a entrar el átomo en su estado basal con la emisión de un fotón:



Obviamente, este proceso es incapaz de producir dos fotones coherentes, es incapaz de producir un haz láser. Considérese en cambio una situación en la que el fotón impacta al mismo átomo cuando el átomo no se encuentra en su estado basal sino en un estado excitado:




En este caso, el átomo además de estar en un estado excitado es impactado por un fotón que lo estimula a volver a su estado basal haciéndolo liberar su fotón “interno”, razón por la cual el proceso producirá dos fotones que marchan en sincronía, en fase, hacia una misma dirección. Si los dos fotones coherentes encuentran en su camino otros átomos excitados (que no se encuentren en su estado basal), cada fotón podrá producir a su vez otros dos fotones, dando como resultado cuatro fotones. Este proceso multiplicativo en cascada es muy parecido al proceso de desintegración utilizado en los reactores nucleares en los cuales el objetivo es producir una reacción en cadena. El problema es que debe haber una cantidad razonable de átomos excitados para que se pueda producir una cantidad razonable de fotones coherentes que pueda ser detectada. Esta es precisamente la razón por la cual se requiere de una fuente externa de energía con dos propósitos, el primero siendo la producción de una cantidad mensurable de fotones, y el segundo excitar suficientes átomos para que los fotones producidos puedan producir a su vez suficientes pares de fotones coherentes que marchen en fase como parte del haz láser.

El siguiente gráfico animado nos ilustra los principales mecanismos que hay detrás del funcionamiento del láser empezando por un bombeo externo de partículas (fotones) que entran lateralmente (en la animación, verticalmente) a la cámara contenedora para estimular a los átomos que hay dentro del tubo, pudiendo apreciarse la manera en la cual un fotón que hay dentro del tubo (viajando horizontalmente hacia la derecha) impacta con el átomo excitado para producir dos fotones coherentes, uno de los cuales sale fuera a través de la superficie semi-reflectora, mientras que el otro es reflejado para poder estimular la radiación coherente en otro átomo que haya sido excitado por la fuente externa:


Puesto que para la producción de los dos fotones coherentes se requirió que el átomo excitado regresara a su estado basal, no hay manera de producir más radiación estimulada a menos de que el átomo u otros átomos en el tubo sean excitados por la fuente externa de energía. Inclusive si hay un millón de átomos excitados dentro del tubo, para poder obtener un haz todos esos átomos tendrán que regresar a su estado basal con lo cual sólo podremos obtener un “pulso” de luz (de hecho los primeros láser incluyendo el láser de rubí sólo podían sacar fuera pulsos de luz láser), en lo que se conoce como operación pulsada. Es obvio que si lo que se quiere es un haz láser continuo, para la operación continua se requerirá una fuente energética externa capaz de sostener un bombeo constante e intenso. El gráfico animado nos muestra una situación un tanto pesimista: el espejo semi-reflector (un espejo que en promedio supondremos que deja salir fuera a la mitad de los fotones reflejando la otra mitad) al dejar salir fuera un solo fotón en realidad destruyó el efecto láser puesto que un fotón solitario no es coherente con nada. Si los dos fotones coherentes producidos dentro del tubo producen a su vez (cada uno) dos fotones coherentes, entonces habrá cuatro fotones coherentes, de modo tal si sólo salen fuera dos de dichos fotones tendremos ya un haz láser que consta de dos fotones, reteniéndose dentro del tubo otros dos fotones para encontrar otro átomos excitados si los hay. Es obvio también que para obtener un haz láser detectable y utilizable que conste no de diez o cien fotones sino de millones de fotones se requerirán muchos átomos excitados capaces de actuar como “multiplicadores”, la mayor cantidad posible. El problema que enfrentamos aquí es que, de acuerdo con lo qu vimos en la serie de entradas tituladas “Mecánica Estadística Cuántica”, la distribución estadística de Boltzmann nos indica que en condiciones normales de equilibrio la población de átomos en el estado fundamental es exponencialmente mayor que la población de átomos en el estado excitado más próximo; y lo que se requiere para que ocurra el efecto láser es que haya muchos átomos excitados. El punto crítico de interés ocurre cuando, por la acción de un bombeo energético externo, hay tantos átomos excitados como átomos en el estado fundamental. Pero la aritmética elemental del asunto nos indica que esto no basta, se requiere que haya más átomos excitados que átomos en el estado fundamental, se requiere que haya una inversión en las poblaciones, lo que se conoce comúnmente como una inversión de población. En realidad todo lo que tiene que ver con el diseño de un láser está encaminado a lograr ésto.

Las siguientes figuras nos muestran dos contenedores, el primero de los cuales tiene en su interior una substancia en la que casi todos sus átomos (o moléculas) están en el estado fundamental (esquematizadas en color azul) mientras que algunas partículas aisladas (esquematizadas de color rojo) están en un estado excitado siguiendo la ley de distribución estadística de Boltzmann que fija una población apreciablemente mayor de partículas en el estado fundamental que en un estado excitado para un sistema aislado en equilibrio termodinámico; en tanto que el contenedor inferior tiene una cantidad apreciablemente mayor de partículas en un estado excitado que en el estado fundamental al haberse logrado una inversión de población:




De este modo, hay cuatro procesos básicos que se requieren para la generación del haz láser: (1) el bombeo, (2) la emisión espontánea de radiación, (3) la emisión estimulada de radiación, y (4) la absorción. El bombeo puede ser eléctrico u óptico, mediante tubos de flash o luz; puede provocarse mediante una fuente de radiación como una lámpara, el paso de una corriente eléctrica, o el uso de cualquier otro tipo de fuente energética que sea capaz de provocar una emision. La emisión espontánea de radiación se requiere para la producción de los fotones que será utilizados para impactar contra átomos excitados, mientras que la emisión estimulada, base de la generación de radiación de un láser, se produce cuando un átomo en estado excitado recibe un estímulo externo que lo lleva a emitir fotones y así retornar a un estado menos excitado, siendo importante que el estímulo en cuestión provenga de la llegada de un fotón con energía similar a la diferencia de energía entre los dos estados. Los dos fotones así emitidos por el átomo estimulado poseen fase, energía y dirección similares a las del fotón externo que les dio origen. La emisión estimulada descrita es la raíz de muchas de las características de la luz láser. No sólo se produce luz coherente y monocroma, sino que también se “amplifica” la emisión de luz ya que por cada fotón que incide sobre un átomo excitado se genera otro fotón produciéndose de este modo dos fotones en fase, coherentes. La absorción ocurre cada vez que un átomo excitado absorbe un fotón para posteriormente emitir dos fotones coherentes. Queda claro que para poder obtener un haz láser de un dispositivo diseñado para ello, se requiere del suministro de una cierta cantidad mínima de energía para lograr lo que se conoce como la excitación del láser, ese fenómeno con el cual de modo súbito y repentino hace su aparición el haz de fotones coherentes indicando que ya se logró la inversión de población y que ya se “disparó” el fenómeno el cual hace su presencia no de forma gradual sino de modo casi instantáneo. Sin embargo, el inicio del laseo (en inglés, lasing, tomándose el acrónimo técnico usado como sustantivo definiendo con el mismo una acción verbal) empieza como una reacción en cadena en la que primero por una acción externa se produce una inversión de población llevando la mayor cantidad posible de partículas hacia un estado excitado. Puesto que el estado excitado es un estado muy inestable (o mejor dicho, metaestable), muchas de las partículas emiten fotones en todas las direcciones posibles al volver al estado fundamental. Algunos de estos fotones se pierden, pero algunos de ellos son reflejados ya sea en el espejo semireflector por donde se obtendrá la salida del haz o en el espejo de reflexión total situado en el extremo contrario. Mientras tanto, la acción de bombeo externo continúa en acción garantizando con ello que se mantenga en pie la inversión de población. Algunos de los fotones reflejados impactan contra partículas que ya regresaron al estado fundamental, mientras que otros fotones impactan contra partículas excitadas produciéndose los primeros fotones coherentes. La reacción en cadena continúa hasta que eventualmente se llega a una condición de equilibrio en la que se tiene un haz láser que permanecerá presente mientras la acción de bombeo continúe:




La idea esencial detrás del láser puede ser también comprendida comparándolo con lo que sucede en la generación de oscilaciones auto-sostenibles como resultado de una retroalimentación (la palabra técnica inglesa es feedback) en la que se toma parte de la salida de un dispositivo y se regresa dicha parte al dispositivo con el propósito de que dicha parte sea amplificada produciéndose un efecto multiplicativo. El láser es un sistema físico semejante a un oscilador electrónico que es a su vez un sistema capaz de producir oscilaciones en forma sostenida sin que se requiera una fuente de oscilación externa. Un sistema sencillo que muestra el fenómeno de las oscilaciones es el de un amplificador de sonido que consta de un micrófono, el amplificador de sonido, y una bocina para producir el sonido amplificado:



Cuando el micrófono es colocado a la salida de la bocina, se forma un bucle cerrado (la palabra técnica inglesa es feedback) y se escucha un silbido molesto:




El silbido que se produce de este modo es creado de manera espontánea sin que se requiera una fuente de oscilación externa para producirlo. Ello se debe a que cuando la bocina es conectada al amplificador se genera un ruido pequeño casi inaudible pero propio al sistema. Esta pequeña señal es detectada por el micrófono, amplificada por el amplificador, en donde es recogida nuevamente por el micrófono (formándose así in circuito cerrado). La retroalimentación positiva continúa hasta que se escucha el silbido a todo volumen. De este modo, todo oscilador electrónico consta de cuatro componentes esenciales: (1) un amplificador, (2) retroalimentación positiva de resonancia, (3) acoplador de salida, y (4) fuente de poder:




En estrecha analogía al oscilador electrónico, cualquier tipo de láser también puede ser sub-dividido en cuatro partes esenciales: (1) el medio activo (el cual sirve como amplificador óptico), (2) retroalimentación óptica, (3) acoplador de salida (un espejo semireflector) y (4) un mecanismo de excitación externo.




El hecho de que el funcionamiento del láser esté fundamentado en una aplicación inteligente del concepto de la retroalimentación nos permite echar mano de la Teoría de Sistemas de Control, la misma teoría que se utiliza en el diseño de amplificadores electrónicos, para llevar a cabo un análisis sobre la fenomenología del láser.

En la ingeniería electrónica, en ciertas aplicaciones es deseable alterar algunas de las características esenciales de un amplificador, tales como las impedancias de entrada y de salida, la ganancia del amplificador, o su responsiva a la frecuencia de la señal a ser amplificada. Cuando una señal que sea proporcional ya sea al voltaje o a la corriente de salida del amplificador es aplicada a la entrada del amplificador, se encuentra que el nuevo amplificador puede tener propiedades que son muy diferentes a las propiedades del amplificador original. El proceso de aplicar a la entrada del amplificador una señal que sea proporcional a la señal de salida del amplificador es lo que conocemos como retroalimentación. En su forma más sencilla, los efectos de la retroalimentación pueden ser vistos considerando el siguiente diagrama de bloques en donde el bloque A representa al amplificador original sin retroalimentación alguna y el bloque β representa la red de retroalimentación:



Considerando voltajes, las relaciones para este sistema son las siguientes:


siendo efb el voltaje feedback de retroalimentación. La ganancia del amplificador, ya con la retroalimentación incorporada, se define de la manera usual:


Resolviendo el sistema de ecuaciones previo para obtener e0 en función de e1 produce lo siguiente: 


De este modo, la ganancia del amplificador en relación a su ganancia original A (sin retroalimentación) viene siendo:


El término βA es conocido como factor de retroalimentación. Para un amplificador estable, la retroalimentación es conocida como negativa o degenerativa cuando la retroalimentación disminuye la magnitud de la ganancia A del amplificador original, mientras que es conocida como positiva o regenerativa cuando incrementa la ganancia la magnitud de la ganancia A del amplificador original; o sea:


Sin embargo, un caso de interés toral para nosotros debe ocurrir cuando el denominador de la última expresión sea igual a cero, lo cual sucederá cuando βA sea igual a +1.¿Qué podemos esperar que ocurra en tal caso? Pues la ganancia del bucle cerrado se vuelve infinitamente grande, lo cual en un sentido práctico implica que el amplificador dejará de ser estable y se romperá espontáneamente en una oscilación sostenida. Cuando lo que se desea es construír un amplificador estable, este fenómeno es muy temido por los ingenieros electrónicos que desviven buena parte de sus esfuerzos a asegurarse de que dentro del régimen esperado de operación de un amplificador que estén diseñando no haya posibilidad alguna de por algún efecto de retroalimentación no anticipado el amplificador deje de ser estable. Pero por otro lado, ésta es también  una situación altamente deseable cuando lo que se quiere construír es un oscilador electrónico que pueda ser capaz de proporcionar una señal oscilante (de naturaleza senoidal) para fines ulteriores tales como la transmisión de una señal modulada de radiofrecuencia.

La condición βA.=.+1 es mejor conocida como el criterio de estabilidad de Barkhausen, enunciado en 1921 por el físico Heinrich Georg Barkhausen, una condición matemática que determina cuándo un circuito electrónico lineal en el cual se ha implementado retroalimentación será capaz de mantener oscilaciones estables y sostenidas. En lo que a nosotros concierne, en este criterio radica precisamente el secreto para poder obtener la acción del láser, y como puede verse el valor específico que se le dé al espejo semi-reflector del láser es un parámetro de diseño crítico. Un espejo semi-reflector que sólo refleje el 1 por ciento de los fotones en el interior del láser dejando salir hacia afuera el 99 por ciento restante posiblemente no podrá mantener una oscilación estable, o mejor dicho, coherente; mientras que un espejo semi-reflector que refleje el 99 por ciento de los fotones dejando salir hacia afuera el 1 por ciento posiblemente no tendrá un haz con suficiente luminosidad para poder ser aprovechado por fuera. Para cada tipo de material utilizado como medio activo en la construcción de un láser habrá un rango muy estrecho de valores que se le deberá dar al porcentaje de luz que deberá ser reflejado por el espejo semi-reflector. Los cálculos teóricos para estimar el porcentaje de semi-reflexión que debe ser utilizado para cada medio activo en un láser pueden resultar algo complicados, y a fin de cuentas terminan siendo utilizados simplemente como guías para darle una idea a los experimentadores sobre cómo acercarse al valor experimental ideal de semi-reflexión para el láser que están construyendo.

Quienes puedan objetar al uso de la teoría de sistemas para llevar a cabo el estudio de la acción láser podrían señalar que no es lo mismo un amplificador electrónico que un láser, sobre todo aquellos que están acostumbrados a ver una onda senoidal limpia y estable en el osciloscopio de un taller de reparación de artículos de entretenimiento casero, argumentando quizá que la acción del láser está basada en un torrente de esas partículas discretas que nosotros llamamos fotones, o sea en un fenómeno discretizado, mientras que el amplificador electrónico con señales continuas de voltaje se comporta como algo de naturaleza continua en toda la extensión de la palabra sin exhibir discretización alguna. Sin embargo, tal suposición sería errónea, por el simple hecho de que las corrientes y los voltajes aparentemente continuos con los que opera un amplificador electrónico también están basados a fin de cuentas en unidades discretizadas que llamamos electrones. La ilusión de un fenómeno de naturaleza continua en un amplificador electrónico oscilante no es más que eso, una ilusión, y eventualmente el más testarudo ingeniero electrónico tiene que confrontar la nada cómoda idea de que el funcionamiento de su amplificador electrónico, sin la fuerza de los grandes números, tiene que ser analizado electrón por electrón, porque así es como realmente funciona. A fin de cuentas, el amplificador electrónico y el láser vienen siendo dispositivos equivalentes, con la única diferencia de que el primero funciona con cuantos de energía eléctrica discretizada llamados electrones mientras que el segundo funciona con cuantos de energía luminosa discretizada llamados fotones, ambos recurriendo a la fuerza de los grandes números para dar una ilusión de continuidad en donde realmente no la hay.

Ahora bien, ¿por qué razón seleccionó Maiman al rubí con su color rojo intenso como el medio activo para la producción de una fuente de luz coherente? La visibilidad del haz era una razón importante para la selección del material, más no la única. No todos los materiales se prestan para la construcción de un láser, y entre los que más se prestan se encuentran los sólidos de estructura cristalina. Sirve como ayuda de diseño el utilizar como guía lo que se conoce como la teoría del campo cristalino, la cual describe los colores que se originan en los elementos de transición a causa de la excitación de los electrones. Ya hemos visto que cuando un ión (en este caso, de un metal de transición) tiene un orbital atómico d parcialmente ocupado, los electrones en la órbita de la capa exterior d se encuentran desapareados, de modo tal que junto con los electrones de los iones circundantes en la retícula cristalina estos crean una fuerza (un “campo cristalino”) en torno al elemento de transición, y la fuerza de dichos campos determinan los niveles energéticos disponibles para los electrones que no están apareados. Tal sistema de niveles de energía depende de la fuerza y la naturaleza del enlace en la retícula cristalina así como del estado de valencia del elemento de transición, siendo diferentes para cada tipo de cristal. En el rubí, el ión de cromo Cr3+ substituye algunos de los iones de aluminio Al3+ en la retícula del cristal Al2O3. El Al2O3 es un mineral incoloro en estado puro que adquiere su coloración distintiva cuando en su retícula cristalina se introduce el elemento cromo que es ajeno a su fórmula (este tipo de minerales son conocidos como alocromáticos). Cabe notar que el cromo deriva su nombre precisamente del hecho de que este elemento, cuando es adicionado como impureza, es capaz de darle color o cromicidad al mineral al cual está contaminando, aunque dado el alto valor que pueden adquirir en el mercado los minerales “contaminados” la palabra “impureza” tal vez sea injusta. El campo cristalino alrededor de la impureza de cromo hace que unos cuantos niveles energéticos cuantizados estén disponibles para los electrones no-apareados, los cuales se muestran en el siguiente diagrama como los niveles B, C y D (sin embargo, las reglas de selección determinan que el nivel B no está disponible para alguna excitación):





Los niveles C y D corresponden a energías de 2.23 eV y 3 eV. La energía de excitación requerida para hacer que un electrón no-apareado brinque hasta el nivel C (2.23 eV) corresponde a luz amarillo-verdosa, mientras que el nivel D (3 eV) corresponde a luz violeta. Esto significa que cuando entra luz blanca a un rubí (como la que se produce en una lámpara de neón), la luz amarillo-verdosa y la luz violeta serán absorbidas por los electrones no-apareados y estos electrones tendrán suficiente energía para ser excitados al nivel C o al nivel D. Los colores residuales que no son absorbidos son precisamente los que determinan el color rojo del rubí. Las mismas reglas de selección impiden que un electrón excitado pueda volver al estado basal (A), teniendo en cambio que caer primero al estado B, el cual es un nivel energético metaestable. Cuando los electrones caen del nivel B al estado basal, se produce la emisión de luz roja (fluorescencia) que dá un brillo adicional al ya de por sí color rojo ocasionado por la absorción de las porciones amarillo-verdosa y violeta del espectro de la luz blanca que llega al rubí.

Tras el rayo láser de rubí, no tardó en ser descubierto otro tipo de rayo láser mucho más económico de fabricar basado en el bombardeo energético no de un sólido sino de un gas, el láser He-Ne (así llamado por utilizar una combinación de los gases nobles helio y neón):




El descubrimiento de que era posible obtener una acción láser usando un gas como medio activo allanó el camino para el descubrimiento del láser excimer. El láser excimer típico utiliza una combinación de gas inerte como argón, kriptón o xenón, con un gas reactivo. En condiciones apropiadas de estimulación eléctrica, una pseudo-molécula es creada, la cuál existe solamente en un estado excitado y puede originar una luz láser en el rango ultravioleta. El término excimer proviene del inglés excited dimer (dímero excitado). Un dímero es una entidad química que consiste de dos subunidades con estructura similar llamados monómeros, que pueden están unidos por lazos fuertes o débiles. La acción del láser en una molécula de excímero ocurre porque tiene un estado asociativo excitado pero también posee un estado no asociativo. Esto es debido a que los gases nobles como el xenón y el kriptón son muy inertes y no suelen formar compuestos químicos. Sin embargo, en un estado excitado (inducido por una descarga eléctrica, o por choques con haces de electrones de alta energía, lo que produce pulsos de alta energía), pueden formar moléculas temporalmente enlazadas consigo mismas (dímeros) o con átomos de halógenos como el flúor y el cloro (formando complejos excitados). El compuesto excitado puede liberar su exceso de energía, sometiéndose a la emisión espontánea o estimulada, lo que da como resultado una molécula en estado fundamental, en una situación fuertemente repulsiva, que muy rápidamente (en el orden de picosegundos) se disocia de nuevo en dos átomos no enlazados. Esto es lo que constituye una inversión de población entre los dos estados.

Pero el gran avance requerido para sacar al láser fuera del laboratorio en donde era una mera curiosidad científica hacia el campo en donde pudiera tener aplicaciones prácticas fue la invención del primer láser semiconductor en 1962 a manos de Robert Hall, específicamente el diodo láser, un láser de estado sólido el cual es un dispositivo semiconductor similar a los diodos LED pero que bajo condiciones adecuadas de fabricación y diseño es capaz de emitir luz láser coherente (la luz de los diodos LED ordinarios como los que se utilizan en las pantallas planas de los monitores de computadora no es coherente). Para el funcionamiento esencial del diodo emisor de luz LED (Light Emitting Diode) lo único que se requiere es polarizar al diodo semiconductor formado por dos capas de materiales tipo-p y tipo-n en forma directa para obtener un haz luminoso no-coherente:


Los diodos láser trabajan sobre el mismo principio que los lásers más grandes de gas; funcionan como un oscilador óptico estimulando una reacción en cadena de emisión de fotones dentro de una cámara pequeña con superficies reflectoras, una de las cuales tiene que ser lo más cercano al 100% reflector mientras que la otra tiene que ser parcialmente reflectora para permitir la salida del haz láser. Esto es en realidad lo único que distingue al diodo láser del diodo LED ordinario. En los lásers de emisión lateral como los diodos láser que se muestran a continuación:










la capa semiconductora es hendida, y las propiedades inherentes del semiconductor crean orillas reflectoras susceptibles de ser mejoradas con films reflectores adicionales. Contrastando con el láser semiconductor de salida lateral, tenemos el siguiente diodo láser del tipo conocido como láser emisor de cavidad superficial vertical ó VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser, pronunciado como “vicsel”):




cuya salida a través de una cavidad superficial requiere de la adición de espejos reflectores complicando el proceso de fabricación.

Como puede suponerse, el gran avance en el desarrollo de los láser semiconductores se basó en la idea sencilla de utilizar los mismos procesos de fabricación empleados para fabricar los semiconductores que se usan para construír los “chips” de computadoras personales, televisores, videocámaras, etc., y de hecho los avances tecnológicos que han llegado con la microminiaturización de la electrónica han hecho posible la mejora simultánea del diseño y fabricación de los láser semiconductores.

Eléctricamente, el diodo láser tiene la misma capacidad rectificadora que la que tiene un diodo ordinario que sólo permite el paso de la corriente en una dirección pero que impide el paso de la corriente al invertirse la polaridad del voltaje aplicado, ello en virtud de que ambos son fabricados con materiales tipo-p (cristales puros como silicio y germanio contaminados deliberadamente -o dopados- con elementos que tienen “huecos” u hoyos en su capa exterior de electrones de valencia) y materiales de tipo-n (cristales puros dopados con elementos con un exceso de electrones en su capa exterior de electrones de valencia). Pero nadie en su sano juicio usaría un diodo láser si el propósito es simplemente rectificar una fuente de corriente eléctrica AC para convertirla en una fuente de corriente directa DC del mismo modo que nadie usaría un aeroplano para viajar sobre el pavimento de una carretera.

A continuación tenemos un listado con las fórmulas de de varios cristales con los cuales es posible extraer una acción láser produciendo radiación coherente, dándose inmediatamente después de cada fórmula la longitud de onda (en micrones) de la radiación producida:

ZnS (0.32) , ZnO (0.37) . Zn1-xCdxS (0.32–0.49) , ZnSe (0.46) ,

CdS (0.49–0.53) , ZnTe (0.53) , CdS1-xSex (0.49–0.68) ,

CdSe (0.68–0.68) , CdTe (0.79) , GaSe (0.59) , GaAs1-xPx (0.62–0.9) ,

AlxGa1-xAs (0.62–0.9) , InxGa1-xP (0.60–0.91) , GaAs (0.83–0.90) ,

InP (0.90–0.91) , InxGa1-xAs (0.85–3.1) , InP1-xAsx (0.90–3.1) ,

InAs (3.1–3.2), InSb (5.1–5–3) , PbS (3.9–4.3) , PbS1-xSex (3.9–8.5) ,

PbTe (6,4–6,5) , PbSe (B.4–8.5) , PbxSn1-xTe (6.4–31.8)

De la lista parecería que hay muchos materiales de donde escoger. Sin embargo, la gran mayoría de los cristales semiconductores listados trabaja en su efecto láser a temperaturas sumamente bajas de 100 grados Kelvin e inclusive de 77 grados Kelvin, de modo tal que no se prestan para aplicaciones en el campo a menos de que se cuente con refrigeradores especiales. Unicamente los cristales destacados en color azul funcionan a la tempertatura ambiente, mientras que el cristal destacado de color rojo, el arseniuro de galio GaAs, es capaz de operar a una temperatura de 450 grados Kelvin. Los compuestos más comunes utilizados para la fabricación de diodos láser son el arseniuro de galio GaAs con capacidad para producir luz con una longitud de onda de 750 a 900 nanometros en el infrarrojo, el InGaAsP con una longitud de onda de 1200 a 1700 nanometros en el infrarrojo, y el nitruro de galio con una longitud de onda cercana a los 400 nanometros en el azul. Otro cristal importante utilizado en la fabricación de lásers semiconductores es el granate Nd-YAG (acrónimo del inglés Neodymium doped - Yttrium Aluminium Garnet) que utiliza como dopante a la tierra rara neodimio (triplemente ionizado) que reemplaza a la tierra rara itrio en la estructura cristalina del granate de itrio y aluminio (Nd:Y3Al5O12), lo cual es posible por tener los átomos de neodimio e itrio tamaños similares, dando una radiación de longitud de onda característica de 1064 nanómetros, en el infrarrojo. De hecho, además del neodimio los YAG pueden ser dopados con otros elementos como el erbio (dando una radiación de longitud de onda característica de 1645 nanómetros), el tulio (2015 nanometros) y el holmio (2090 nanometros). La siguiente imagen representa una simulación computarizada tridimensional de una celda unitaria de un cristal YAG constituída por 160 átomos en donde las partículas rojas representan átomos de oxígeno, las partículas azules representan átomos de itrio, y las partículas grises representan átomos de aluminio:




La procuración de estos cristales exóticos no es un asunto fácil, ya que muchos de ellos no se encuentran disponibles en la Naturaleza, tienen que ser producidos a la orden y al gusto del experimentador bajo condiciones controladas de crecimiento en el laboratorio que en ocasiones pueden tomar semanas. Constantemente hay una búsqueda por nuevos tipos de cristales que puedan ofrecer alguna ventaja sobre los cristales que ya se conocen, aunque algunos cuantos han resistido el paso de los años al poseer características que son lo más cercano a lo ideal que se pueda encontrar. En general, los semiconductores más comunes utilizados para la fabricación de diodos láser son los compuestos basados en el arseniuro de galio GaAs, el fosfuro del colectivo indio-galio-arsénico, y el nitruro de galio. A diferencia de lo que ocurre con elementos individuales, en un cristal se combinan las nubes de probabilidad de los electrones externos de cada elemento para crear nuevos niveles energéticos -o mejor dicho, bandas- dentro de lo que se conoce como el campo cristalino. Los lásers semiconductores hacen uso de las transiciones radiativas cuánticas que ocurren entre los niveles permisibles de las bandas de energía de un cristal y no entre los niveles discretos de energía que hay en los átomos, las moléculas y los iones. En el láser semiconductor, los átomos que forman la red reticular del cristal son excitados para radiar colectivamente. Esta diferencia es lo que determina la característica más importante de estos lásers, su tamaño pequeño y lo compacto que estos son (el volumen del cristal típico varía de 10-6 a 10-2 centímetros cúbicos). Aunque es posible obtener un coeficiente de amplificación óptica de hasta 104/centímetro, valores más pequeños resultan ser suficientes para obtener la excitación del láser. Otras características de importancia práctica son la obtención de una alta eficiencia en la conversión de energía eléctrica a energía de radiación coherente (hasta de un 30 a 50 por ciento),  una respuesta rápida que permita la modulación directa del haz con frecuencias de banda amplia (superiores a los 109 gigahertz), simplicidad de diseño, la posibilidad de variar la longitud de onda de la radiación, y la existencia de un gran número de semiconductores que cubran continuamente el intervalo de longitudes de onda de 0.32 micrones hasta 32 micrones (μ).

La luminiscencia en los semiconductores ocurre cuando los electrones en la banda de conducción se recombinan con los hoyos en el material semiconductor causando con ello que se libere energía. Esta energía puede ser emitida en forma de cuantos de radiación (luminiscencia), o puede manifestarse como vibraciones en la retícula del cristal semiconductor. La fracción de eventos de recombinación radiativa en semiconductores tales como germanio (Ge) o silicio (Si) es muy baja, pero en algunos semiconductores tales como el arseniuro de galio GaAs y el sulfuro de cadmmi CdS puede alcanzar hasta un 100 por ciento después de purificación y dopaje. Para poder observar la luminiscencia se debe recurrir a algún método para excitar el cristal semiconductor, o sea para generar un exceso de pares electrón-hoyo. Tal método puede involucrar el uso de luz, electrones rápidos, o inclusive un campo eléctrico. Cuando la razón de formación de pares excedentes electrón-hoyo es muy baja, la radiación recombinativa es por naturaleza aleatoria, o espontánea, y se le utiliza como fuente luminosa de luz incoherente como es el caso de los diodos emisores de luz LED. Para obtener la acción láser, la generación de radiación coherente, se tiene que crear un estado especial para luminescer al cristal semiconductor, y ese estado es la inversión de población. La recombinación de cada par electrón-hoyo puede ser acompañada por la emisión de un cuanto de radiación cercano en energía a la brecha energética del semiconductor.

Tal vez lo que hemos visto haya producido en el lector la impresión de que cada tipo de láser produce una longitud de onda fija, inmutable, correspondiendo a la longitud de onda del fotón estimulado creado como consecuencia del salto cuántico que ocurre entre dos niveles energéticos  bien definidos, la cual no puede ser variada a discreción del experimentador. Esto era lo que se creía hasta que hizo su aparición el láser sintonizable, un láser cuyo “color” de luz de salida puede ser cambiado girando perillas, del cual el primero de su tipo descubierto en 1966 fue el láser de colorante, trayendo consigo la tecnología de los “tunable dye lasers”.

El punto de entrada para el estudio teórico-matemático del rayo láser son usualmente lo que se conoce como los coeficientes de Einstein, habiendo sido el mismo Einstein quien predijo la posibilidad de obtener un haz de fotones coherentes. Considerando un sistema en el cual la materia y la radiación están en equilibrio dentro de una cavidad cerrada a una temperatura T (si le hacemos un orificio muy pequeño al cuerpo que tiene en su interior dicha cavidad de modo tal que podamos “ver” el interior de la cavidad sin alterar de modo apreciable el equilibrio interno, tendremos entonces lo que en la termodinámica clásica se conoce como un cuerpo negro), y considerando transiciones entre dos niveles de energía Em y En de modo tal que Em sea mayor que En, podemos representar tres procesos posibles de absorción y emisión de fotones de la siguiente manera:



Como se indica en el diagrama de niveles energéticos de arriba, la razón de absorción de fotones que eleva a un átomo (o a una molécula) de un estado n a un estado m es proporcional a la densidad de la radiación ρ(νmn) y al número de átomos (o moléculas) Nn que se encuentran en el estado n. Entonces:

Razón de absorción de fotones = BnmNnρ(νmn)

en donde Bnm es una constante de proporcionalidad (uno de los coeficientes de Einstein).

Por otro lado, un átomo (o una molécula) puede emitir espontáneamente un fotón independientemente de la presencia o la ausencia de radiación:

Razón de emisión espontánea de fotones = AmnNm

en donde Amn es otra constante de proporcionalidad (otro de los coeficientes de Einstein).

Finalmente, el campo de radiación (fotones) puede estimular la emisión de fotones de frecuencia νmn con transiciones del estado m al estado n. Esta radiación tiene la misma fase y dirección que la radiación incidente. Esta es la emisión estimulada que hace posible la acción del rayo láser. La razón de emisión estimulada está dada por (obsérvese el cambio en el orden de los sub-índices del coeficiente B usado como constante en el proceso de absorción):

Razón de emisión estimulada = BmnNmρ(νmn)

En el equilibrio, las razones de absorción y emisión de fotones son iguales, de modo tal que lo siguiente se debe cumplir:


Esto lo podemos escribir de la siguiente manera:






En el equilibrio, los números de átomos (o moléculas) en los dos niveles energéticos Em y En deben satisfacer la ley de distribución estadística de Boltzmann:


Eliminando Nmn/Nn entre esta ecuación y la que le precede, obtenemos entonces lo siguiente:



Esta relación resulta demasiado parecida a otra relación con la cual debe ser comparada, la ley de radiación para el “cuerpo negro” obtenida por Max Planck:


en donde ρ(νmn)dν es la energía por unidad de volumen en el rango de frecuencias dν dentro de la cavidad del “cuerpo negro”.

Para que ambas leyes sean consistentes, se requiere entonces que:


De la misma Mecánica Cuántica se puede obtener una expresión para Bnm que demuestra que el coeficiente Bnm está relacionado al coeficiente de absorción de una substancia y también a las funciones de onda para los estados m y n. Esto significa que el coeficiente de emisión espontánea Amn puede ser estimado a partir de primeros principios a través de mediciones de la absorción. Esto es importante porque es el coeficiente de emisión espontánea el que determina el tiempo de vida radiativo de un estado excitado. Si la emisión espontánea es el único modo de desactivación de un estado excitado, el tiempo de vida radiativo está dado por la siguiente relación:


en donde kf es la constante de razón de primer orden para el fenómeno de fluorescencia que ocurre en este caso. Se puede establecer una correlación que muestra que los estados energéticos que son poblados más rápidamente también pierden sus pobladores con mayor rapidez. En general, se ha encontrado en el laboratorio que el tiempo de vida radiativo es inversamente proporcional a una cantidad conocida como el índice de absorbencia molar ε:

τ0 ≈ (10-4 litro/mol·centímetro·segundo)/ε

Un compuesto fuertemente absorbente con un índice ε igual a 105 tendrá un tiempo de vida radiativo natural de aproximadamente 10-9 segundo, mientras que un compuesto ligeramente absorbente con un índice ε igual a = 10-2 tendrá un tiempo de vida radiativo de aproximadamente 10-2 segundo.

En virtud de la dependencia cúbica en la frecuencia νmn del coeficiente Amn, la emisión espontánea es mucho más importante en la región de ondas muy cortas (de frecuencia muy elevada), siendo poco vista en las regiones de radiofrecuencias y microondas. La intensidad de una línea de absorción generalmente es proporcional a la cantidad Nn de átomos (o moléculas) que se encuentran en el nivel energético inferior, pero si hay un número significativo en el estado energético superior, entonces la absorción neta (ignorando la emisión espontánea) está dada por la siguiente relación:

BnmNnρ(νmn) - BmnNmρ(νmn) = [Bnmρ(νmn)](Nn - Nm)

en virtud de que la emisión estimulada ocurre en la misma dirección que la radiación incidente.

Lo anterior nos lleva a la conclusión de que los estados excitados no duran mucho tiempo, y si vamos a obtener la acción de un rayo láser podemos esperar encontrarnos con muchas dificultades si la estimulación se llevará a cabo utilizando únicamente transferencias entre dos niveles energéticos. Es por esto que, echando mano de un truco ingenioso, se optó por recurrir no a la acción que ocurre entre dos niveles energéticos sino a la acción que ocurre entre tres niveles energéticos. El truco consiste en excitar al átomo (o a la molécula) no al siguiente nivel energético inmediato superior, sino a otro nivel energético situado aún más arriba. Esto es lo que se conoce como un rayo láser de tres niveles. Un buen ejemplo de un rayo láser de tres niveles lo tenemos en el rayo láser He-Ne cuyos niveles de energía se muestran a continuación:


Además del procedimiento de tres niveles para poder obtener la acción de un rayo láser, hay también otro procedimiento conocido como el láser de cuatro niveles, mostrándose ambos a continuación para fines comparativos:


El primer láser óptico obtenido mediante el bombardeo de un cristal de rubí con radiación luminosa externa llegó justo a tiempo para que se pudiera llevar a cabo un experimento interesante aprovechando las misiones norteamericanas Apollo de los viajes espaciales a la Luna. La idea esencial consistía en colocar sobre la superficie lunar un “espejo” que pudiera reflejar un rayo láser enviado desde la Tierra hacia el punto de origen (o un lugar cercano al punto de origen) desde donde fue enviado el haz. Con este tipo de experimento, no sólo era posible medir con precisión extraordinaria la distancia de la Tierra a la Luna, sino que también era posible llevar a cabo varias pruebas sobre las teorías de la gravedad, incluyendo la Teoría General de la Relatividad de Einstein. Y para este tipo de experimento un haz de luz incoherente es completamente inútil porque al dispersarse ampliamente los fotones a partir del punto de origen no queda prácticamente nada del haz original para llegar a la Luna, y menos aún para ser reflejado y retornar; forzosamente se tiene que recurrir a un haz de luz coherente en donde todos los fotones estén en fase caminando en la misma dirección. Con esta finalidad, el 20 de julio de 1969, después del alunizaje del primer vehículo tripulado en la primera misión espacial exitosa de este tipo, dando seguimiento al experimento bautizado como Apollo 11 Laser Ranging Retro-Reflector Experiment, los astronautas Edwin Eugene “Buzz” Aldrin y Neil Armstrong depositaron sobre la superficie de la Luna en el Mar de la Tranquilidad un sistema de 100 reflectores ópticos “de esquina” de alta precisión mejor conocido como LR3, los cuales serían los encargados de rebotar los haces de láser enviados desde la Tierra:




tras lo cual se depositaron sobre la superficie lunar dos sistemas adicionales de reflectores en las misiones lunares Apollo 14 y Apollo 15. El punto de origen seleccionado para el envío de los pulsos del haz láser fue el Observatorio McDonald en Texas:




La distancia del viaje redondo de ida y vuelta del haz láser a la superficie de la Luna es de unos 2.5 segundos, y desde un principio dicho tiempo fue medido con una precisión de 1 nanosegundo, lo cual significa que la distancia entre el Observatorio McDonald y el punto en la Luna en donde fue colocado el reflector se puede medir con una incertidumbre de unos 15 centímetros. El “espejo” utilizado para reflejar el haz láser enviado desde la Tierra, un prisma cúbico de esquina conocido comúnmente como retroreflector, tiene una característica curiosa: fue diseñado para reflejar la luz regresándola a su punto de origen sin importar la orientación de la cara del prisma, un requisito muy importante tomando en cuenta que los astronautas en la Luna no tenían mucho margen de maniobra para tratar de ajustar manualmente la posición del sistema en la búsqueda de la mejor posición posible para la colocación del arreglo. En la siguiente fotografía tenemos una muestra de un retroreflector fabricado por la empresa Meredith Instruments y comercializado a un costo moderado de 40 dólares:




Una consecuencia de la disponibilidad actual para producir y controlar pulsos de láser de unos cuantos segundos de duración, en el rango temporal de los femtosegundos (algunos láser pueden generar pulsos reproducibles de 10 femtosegundos), es la posibilidad de observar y seguir por vez primera la evolución temporal de procesos que ocurren a escalas atómicas. A modo de ejemplo, se tiene a las vibraciones moleculares que ocurren en una escala de tiempos de 100 femtosegundos, siendo posible excitar estados localizados e interrogar su evolución temporal con lásers. Esto rejuveneció las esperanzas de los años setenta de que los lásers pudieran ser utilizados para dirigir las reacciones químicas hacia productos finales pre-seleccionados (las técnicas químicas convencionales se basan en procesos químicos aleatorios que frecuentemente no son económicos ni eficientes). La escala de tiempos en femtosegundos también se presta para la excitación de estados electrónicos en estructuras múltiples de pozos cuánticos semiconductores; la evolución temporal de estos estados proporciona información valiosa acerca de las propiedades de transporte de materiales mesoscópicos (materiales ubicados entre el mundo macroscópico y el mundo sub-microscópico). Pero una de las aplicaciones de mayor interés para los láser de pulsos ultrarápidos debe ser la investigación de la evolución temporal de los paquetes de onda, y con ello la confirmación experimental de la validez de cosas como las que vimos en las entradas tituladas “Evolución temporal de las ondas de materia”.

Como parte de otro desarrollo más reciente, en un artículo publicado el 18 de febrero de 2011 en la revista Science científicos estadounidenses de la Universidad de Yale anunciaron el desarrollo del primer material capaz de absorber un haz láser de manera efectiva transformándolo integramente en calor, neutralizando en efecto al haz láser original convirtiendo sus fotones coherentes en energía térmica, un hallazgo interesante en donde el dispositivo de absorción genera calor pero no es incinerado por el haz láser que ordinariamente tratándose de un haz láser de alta potencia concentrado en un punto es capaz de quemar el material en el punto en donde está siendo enfocado, lo cual genera calor pero a su vez destruye el material. En éste caso no es así. El líder del equipo de investigadores, A. Douglas Stone, confirmó que él junto con su equipo de la Universidad de Yale descubrieron esta posibilidad al hacer colisionar frente a frente a dos haces láser diferentes en una cavidad compuesta por silicio:




Para lograr el efecto, al cual se le ha bautizado en forma sensacionalista como el efecto anti-láser, dentro de la cavidad de silicio que actúa como “medio de pérdida” las longitudes de onda de dos haces láser enfocados son alineadas de modo tal que quedan atrapadas de modo casi perfecto, rebotando indefinidamente hasta que eventualmente los haces atrapados son absorbidos y transformados en calor. El anti-láser desarrollado absorbió aproximadamente un 99.4% de la luz láser que ingresa a su interior, aunque las estimacionas indican que el límite teórico de absorción es de un 99.999% de la luz incidente. “El anti-láser es un dispositivo que básicamente funciona como haciendo retroceder a un láser”, afirmó Douglas Stone en una entrevista a la prensa. Mientras que un láser toma energía eléctrica y emite luz visible en un rango de frecuencia muy estrecho, el anti-láser toma luz láser transformándola en energía calorífica, la cual a su vez puede ser fácilmente convertible en energía eléctrica. El funcionamiento del dispositivo que usa silicio como absorbente para atrapar las ondas de luz, las cuales rebotan en su interior hasta que son convertidas en calor, es bosquejado en el siguiente dibujo:




El concepto detrás de esta posibilidad hoy realidad surgió cuando Stone le explicaba a un profesor visitante la física compleja detrás del láser, sugiriéndole (para mejor ayudarle a entender al visitante cómo trabaja un dispositivo láser convencional) pensar acerca de un láser funcionando en orden inverso. Al hacer esta sugerencia, Stone empezó a contemplar la posibilidad de que realmente fuese posible construír un láser que trabajase de modo inverso, absorbiendo luz a ciertas frecuencias específicas en vez de emitirla. Esto implica que el resonador óptico del antiláser, en vez de contener un medio de amplificación (como se describió arriba) contenga un medio de pérdida, requiriéndose que los haces incidentes y sus frecuencias coincidan con los parámetros que corresponderían a un láser convencional con amplificación. Una investigación bibliográfica posterior les reveló a los descubridores que otros científicos ya habían contemplado previamente esta posibilidad en algunos libros y papeles científicos (como en el artículo titulado “PT-symmetric laser-absorber” de Stefano Longhi publicado en arXiv el 31 de agosto de 2010), pero ninguno se había tomado la molestia de desarrolar el concepto, hecho realidad en Yale con el dispositivo bautizado como CPA (del inglés Coherent Perfect Absorber).

Habiéndose entendido el fundamento de la operación del láser, y habiéndose visto que hay lásers de estado sólido como el láser de rubí y el diodo semiconductor láser y que también hay lásers de estado gaseoso como el láser He-Ne, se puede sospechar que también debe ser posible construír lásers que funcionen utilizando como medio activo de amplificación el estado físico intermedio, el estado líquido. Y así resulta ser, en efecto. De hecho, y en principio, podemos construír un láser recurriendo a cualquier estado de la materia, siempre y cuando sea posible implementar los principios básicos de operación que han sido señalados arriba.

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