Del LASER I Principio de funcionamiento del láser

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1 Del LASER I Principio de funcionamiento del láser Gilberto Basilio Sánchez La palabra láser proviene del acrónimo en inglés Ligth Amplification by Stimulated Emission of Radiation; en español, láser(1) significa Amplificación de la Luz por la Emisión de Radiación Estimulada. Si bien su nombre no arroja información alguna sobre su funcionamiento ni sus características, si nos da una idea de que ellos se basan en principios de la física relacionados con la amplificación de la luz. En un principio el láser parecía ser una de esas curiosidades científicas que nunca saldría del laboratorio de algunas universidades. Una vez se le llamó?la solución a un problema que no existía? y hoy por hoy es pieza fundamental en el diseño, el arte, la medicina, en los sistemas de telecomunicaciones; pieza y fuente de los sistemas de seguridad; materia de trabajo de diversos grupos de investigación en el mundo y un principio fundamental muy utilizado en la ingeniería y la industria. Un láser es un dispositivo que produce una luz intensa cuya principal característica es ser coherente. La coherencia se logra cuando las amplitudes relativas de la onda del rayo de luz que se emite, están en fase. Esto quiere decir que un láser genera luz que viaja en la misma dirección de manera muy ordenada en tiempo y espacio. A los láseres también se les considera como fuentes de luz cuasimonocromáticas; esto es, que emiten luz a una sola frecuencia o en un solo color (o casi de un solo color). Los láseres amplifican la luz generando un gran flujo de energía de salida. Por ello se dice que los láseres son altamente direccionales y muy brillantes. Los láseres son dispositivos que generan y amplifican señales electromagnéticas en frecuencias de radio, audio, microondas y luz. De hecho, los primeros sistemas láser generaban microondas y se llamaban MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Actualmente los láseres amplifican radiaciones de ondas en un gran intervalo de frecuencias que van de ondas milimétricas hasta la región de la luz visible, extendiéndose al ultravioleta y a los rayos X. Los láseres se construyen con diversos materiales activos y pueden generar luz de diferentes intensidades y colores. Quizás el concepto más complicado del láser sea su principal característica: la coherencia. Una de las mejores maneras para explicar la coherencia de los rayos de luz es comparar la emisión láser con la de

2 una lámpara. El conjunto de rayos de luz que emite una lámpara normal se produce en forma dispersa. Al prender un foco en la noche en cualquier casa, se observa que la luz se emite en todas direcciones, por eso sirven para iluminar. La luz que se produce en un sistema láser está compuesta de rayos de luz juntos, ordenados e idénticos que se transmiten en la misma dirección. Esta comparación se puede observar en la figura 1. Figura 1. Coherencia. Comparación entre la emisión de luz de una lámpara normal y un láser. Para producir una amplificación de la luz por radiación estimulada y poder generar luz con características láser, deben conjugarse diferentes elementos mecánicos, materiales activos, energía de alimentación y una cavidad resonante. Son tantos los factores técnicos y el conjunto de elementos que tienen que funcionar de manera precisa en un láser, que suelen llamárseles también sistemas láser. Los elementos necesarios para producir un sistema de este tipo se pueden agrupar en tres categorías (figura 2): 1.Materiales activos o un medio láser. Éstos consisten en moléculas que, mediante el suministro de energía externa, pueden generar ganancia a la luz y amplificarla. En realidad los átomos se excitan y se produce una emisión de fotones o rayos de luz al exterior. El medio activo pueden ser también electrones, átomos o moléculas de diversos materiales

3 radiactivos. 2.Una fuente de suministro de energía externa o bombeo. Este proceso excita las moléculas del medio activo; lo que equivale a poner sus átomos en un nivel cuántico mayor. Una vez excitados, pueden emitir fotones que se propaguen en el medio activo e ir generando más fotones como ellos en producción en cadena. Todos los fotones generan fotones iguales. Al ser iguales, se mueven igual y en conjunto generan rayos iguales, rayos coherentes. Los medios de excitación pueden ser electrónicos, de radio frecuencia, de sonido, eléctricos, e incluso de luz. Para que exista una retroalimentación que haga que los fotones generen más fotones, se debe producir un viaje en todo el medio de manera reiterada; esto es se necesita un sistema de retroalimentación: 3.Un sistema de retroalimentación ajustable. Éste permite que los fotones produzcan más fotones, y formen juntos un rayo de luz que puede pasar por el medio activo, salir como rayo láser o regresar al medio y continuar con el proceso de producir más fotones. Esta ida y vuelta de un rayo de luz dentro del medio, es fundamental en el sistema y es difícil de calibrar. Aquí surge el desafío de lograr que un rayo de luz pase y regrese al material activo; esto se logra con espejos paralelos a los que se les llama cavidad resonante. Figura 2. Elementos básicos de un sistema láser. Un medio láser o materiales activos (átomos excitados o no-excitados), una fuente de suministro de energía o bombeo (excitación de luz o eléctrica) y un sistema de retroalimentación (espejos). Los medios activos definen muchas propiedades del láser, principalmente el color o frecuencia de su emisión. Hay para todos los gustos y colores: el neón que puede producir el rojo; el helio que produce el verde; lo cristales de rubí que tienen muchas gamas de colores y rangos de azul y los hay también de aleaciones; medios

4 líquidos, biológicos y hasta gases. Dependiendo de cada medio y de las características de los fotones que en él se producen, se pueden ir complicando los sistemas. Y hasta los espejos cambian, dejan de ser metálicos, se vuelven de plástico y de vidrio con propiedades muy particulares, por ejemplo la de dejar pasar un poco de luz y regresar el resto. Pero el funcionamiento básico de todos los sistemas es el mismo y se ilustra en la Figura 3 en ocho diferentes pasos.(2) Figura 3. Funcionamiento Básico del Láser. Es importante notar que los láseres pueden ser de emisión continua o pulsada y que los nuevos diseños son los láseres de electrones, de semiconductores sólidos y de fibra óptica. Cada uno tiene aplicaciones muy particulares y con nuevos horizontes científicos que a veces resulta igual de atractivo conocer.(3) Se agradecen las sugerencias del doctor Roberto Ortega Martínez de CCADET-UNAM en la revisión de esta nota. Referencias 1. Del LASER y de sus procesos de básicos en la física cuántica, en

5 2. Oliver Lascar,?Laser?, ficha del Science & Vie., pp 39-40, Tunisia, Túnez, marzo del De algunas de las aplicaciones del Láser, todas las figuras fueron tomadas de Oliver Lascar,?Laser?, ficha del Science & Vie., pp 39-40, Túnez, marzo del 2000.

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