IV. LOS L�SERES
EL L�SER, cuyo nombre se ha formado con la primera letra de cada palabra de la frase en ingl�s Light Amplification Simulated Emission of Radiation (amplificaci�n de luz por emisi�n estimulada de radiaci�n), ha ampliado repentina y grandemente los horizontes de la �ptica. Cuando se descubri�, se vio inmediatamente que era un instrumento con grandes posiblidades de aplicaci�n, pero como surgi� por accidente, no originado por una necesidad, hubo que comenzar a buscar para qu� era �til. Al decir accidente lo que se quiere decir es que las investigaciones, originalmente dirigidas a otro fin, llevaron inesperadamente al descubrimiento del l�ser. Debido a esto, se dec�a en broma en un principio que el l�ser era una soluci�n en busca de un problema que resolver.
La historia del l�ser se remonta al a�o de 1916, cuando Albert Einstein estudi� y predijo el fen�meno de emisi�n estimulada en los �tomos, seg�n el cual un �tomo que recibe luz de la misma longitud de onda de la que puede emitir, es estimulado a emitirla en ese instante.
El siguiente trabajo fundamental para la evoluci�n posterior del l�ser fue el del bombeo �ptico, desarrollado a principios de la d�cada de los cincuenta por Alfred Kastler (1902-1984), nacido en Guewiller, Alsacia, y educado en Colmar, entonces posesi�n alemana. Durante la primera Guerra Mundial Kastler fue enrolado en el ej�rcito alem�n, pero al concluir la guerra ingres� a la �cole Normale Sup�rieure en Par�s, donde obtuvo su maestr�a. M�s tarde obtuvo el doctorado en f�sica en la Universidad de Bourdeaux. Desde entonces hasta su muerte vivi� en Francia. En 1974 Kastler estuvo de visita algunos d�as en el Instituto Nacional de Astrof�sica �ptica y Electr�nica, en Tonantzintla, Puebla, donde el autor de este libro tuvo el gran placer de conocerlo personalmente. Era una persona dotada de un gran carisma y sencillez, que afirmaba que los grandes descubrimientos cient�ficos como los que �l hab�a hecho se lograban simplemente manteniendo la mente despierta para examinar cualquier acontecimiento imprevisto. El trabajo de Kastler sobre el bombeo �ptico, basado en t�cnicas de resonancia �pticas, fue desarrollado con la colaboraci�n de su alumno Jean Brossel, de la �cole Normale Sup�rieure de Par�s, y fructific� con el descubrimiento de m�todos para subir el nivel energ�tico de los �tomos; dicho de otro modo, m�todos para que los electrones de los �tomos suban al nivel deseado, utilizando efectos de resonancia �ptica. Estos m�todos recibieron el nombre de bombeo �ptico por el mismo Kastler, quien mereci� el premio Nobel de f�sica en 1966.
Charles H. Townes (1915- ) se encontraba en la ciudad de Washington el mes de abril de 1951, para asistir a una reuni�n cient�fica. En el hotel compart�a una habitaci�n con su amigo, Arthur Schawlow. En esta �poca Townes se encontraba muy preocupado por encontrar un m�todo para producir ondas de radio de longitud de onda muy corta, del orden de mil�metros. Townes, casado y con hijos, ten�a la costumbre de levantarse muy temprano, mientras que Schawlow, que era soltero, acostumbraba levantarse muy tarde. La ma�ana del d�a 26, Townes, como de costumbre, se levant� muy temprano, y para no molestar a su amigo sali� del cuarto en silencio y se dirigi� al parque Franklin, cercano al hotel. Cuenta el mismo Townes que fue en ese parque, aquella ma�ana, donde se le ocurri� un m�todo para producir microondas usando el fen�meno de la emisi�n estimulada, bas�ndose en la predicci�n de Einstein y en los estudios sobre bombeo �ptico que realiz� Alfred Kastler. La comprobaci�n de su idea se la propuso como trabajo de tesis doctoral a su alumno James P. Gordon, en la Universidad de Columbia. Tres a�os les tom� construir, con la colaboraci�n de Herbert Zeiger, un dispositivo que amplificaba microondas mediante emisi�n estimulada, al que llamaron m�ser.
Independientemente, sin tener ninguna conexi�n con Townes, Nicolai G. Basov (1922- ) y Aleksandr M. Prokhorov (1916- ) obtuvieron resultados similares en el Instituto Levedev de Mosc�. Townes, Basov y Prokhorov compartieron el premio Nobel de f�sica en 1964. En septiembre de 1957, Townes, junto con su colega, amigo y ahora cu�ado Arthur Schowlow, comenzaron a pensar en el problema de construir ahora otro dispositivo similar al m�ser, pero que emitiera luz en lugar de microondas. Es interesante conocer la an�cdota de que Townes solicit� una patente para artefactos que emitieran luz por el mecanismo de emisi�n estimulada, y de que poco despu�s lo hizo tambi�n otro investigador de la misma Universidad de Columbia, llamado Gordon Gould, reclamando prioridad. Hay algunos que creen que Gould ten�a raz�n. Lo cierto es que nadie niega que s� hizo algunos descubrimientos similares independientemente. Hasta la fecha sigue el pleito legal sobre qui�n tiene la raz�n.
Finalmente, Theodore H. Maiman logr� construir el l�ser en 1960 en los laboratorios de investigaci�n de la compa��a a�rea Hughes, en Malibu, California. M�s adelante describiremos los detalles de este gran avance cient�fico y tecnol�gico.
El l�ser es simplemente una fuente luminosa con dos propiedades muy especiales e importantes de su luz, que t�cnicamente reciben los nombres de coherencia espacial y coherencia temporal. Aunque estos nombres pueden parecer impresionantes, denotan unas caracter�sticas de la luz que pueden ser explicadas f�cilmente.
A fin de ilustrar lo anterior, consideremos una fuente luminosa muy peque�a
a la que llamaremos puntual, que emite luz cuyos frentes de onda son esf�ricos
y conc�ntricos con dicho punto. Si colocamos una lente convergente frente a
esta fuente luminosa, como se muestra en la figura 22 (a), veremos que la onda
se refracta, haci�ndose ahora el haz luminoso convergente a un punto despu�s
de esta lente. Este ejemplo es s�lo imaginario e idealizado, pues las fuentes
luminosas puntuales no existen en la vida real, ya que por peque�as que sean
tienen un tama�o finito. Por lo tanto, las fuentes luminosas reales no emiten
una sola onda con frentes de onda esf�ricos, sino una multitud, cada una de
ellas saliendo de un punto diferente sobre la fuente. Al colocar ahora la lente
convergente frente a esta fuente de luz, la energ�a luminosa ya no se concentra
en un punto infinitamente peque�o despu�s de la lente, como en nuestro experimento
imaginario. Lo que se obtiene es simplemente una imagen de la fuente luminosa,
con la energ�a distribuida sobre toda su �rea, como se muestra en la figura
22(b).
Figura 22. Lente convergente frente a una fuente luminosa a una distancia
mayor que su distancia focal. (a) Fuente puntual y (b) fuente extendida.
Figura 23. Lente convergente con una fuente luminosa colocada en su foco
anterior. (a) Fuente puntual y (b) fuente extendida.
Volviendo de nuevo a nuestro experimento idealizado, supongamos que la lente se coloca frente a la fuente luminosa puntual, de tal manera que quede sobre el foco de la lente convergente, como se muestra en la figura 23(a). La luz saldr�a entonces de la lente en un haz de rayos paralelos, o lo que es lo mismo, con frentes de onda planos y paralelos entre s�, como se muestra en esta misma figura. Como las fuentes luminosas no son infinitamente peque�as, la luz no saldr� como un haz de rayos paralelos, sino como una multitud de haces, todos viajando en diferentes direcciones, como se muestra en la figura 23(b). De esta manera se esparce la energ�a luminosa en la forma de un cono divergente. Se dice que la fuente infinitamente peque�a o puntual tiene una coherencia espacial perfecta, mientras que la extendida la tiene muy pobre.
Desafortunadamente, son much�simas las situaciones en las que es necesario tener una gran coherencia espacial: por ejemplo, para tener un frente de onda �nico en interferometr�a, para concentrar la energ�a luminosa en un punto muy peque�o a fin de obtener una densidad de energ�a muy alta, o para enviar el haz luminoso a gran distancia. Como es f�cil de entender, se puede obtener una fuente luminosa de gran coherencia espacial colocando simplemente una hoja de papel aluminio con una perforaci�n muy peque�a hecha con una aguja sobre una fuente de luz extendida. Sin embargo, de esta manera se reduce considerablemente la intensidad luminosa, como se muestra en la figura 24. Otra manera ser�a alejar la fuente una gran distancia, hasta que ya no se le aprecie ning�n tama�o, sino que se le vea como un punto, como es el caso de las estrellas. Tambi�n en este caso se reduce la intensidad luminosa de manera considerable. La luz de un l�ser tiene una coherencia espacial casi perfecta, sin ning�n sacrificio de su intensidad.
La segunda propiedad del l�ser tiene que ver con la cantidad de colores que
emite la fuente luminosa simult�neamente, es decir, con el grado de monocromaticidad.
Por ejemplo, una fuente de luz blanca no es nada monocrom�tica, pues emite todos
los colores del arco iris al mismo tiempo. La luz emitida por un foco rojo o
de cualquier otro color ser�a menos policrom�tica, porque contiene luz de varios
colores cercanos al rojo, por ejemplo, naranja e infrarrojo. Una fuente de luz
bastante monocrom�tica se puede obtener mediante varios procedimientos basados
en los fen�menos de la dispersi�n de la luz en un prisma, en el de la difracci�n
en una rejilla de difracci�n o en el de la interferencia en los filtros de interferencia.
Desafortunadamente todos estos m�todos se basan en la eliminaci�n de los colores
indeseados, pero de ninguna manera refuerzan el deseado. Por lo tanto, el haz
de luz se hace sumamente d�bil. Mientras m�s monocrom�tico sea un haz luminoso,
se dice que tiene m�s coherencia temporal. En cambio, la luz de un l�ser tiene
coherencia temporal casi perfecta, es decir, tiene una alta monocromaticidad.
Figura 24. Simulaci�n de una fuente de luz con coherencia tanto espacial
como temporal, por medio de una peque�a perforaci�n, y un filtro de color con
banda de transmisi�n muy angosta. (a) Fuente luminosa, (b) fuente luminosa con
filtro de color y (c) fuente luminosa con filtro de color y diafragma.
Recordemos ahora que la luz es una onda electromagn�tica id�ntica en todo a una onda de radio o televisi�n, s�lo que su frecuencia es mucho m�s alta, y por lo tanto su longitud de onda (distancia entre dos crestas de la onda) es mucho m�s corta. Cuando dec�amos que la fuente de luz deber�a ser muy peque�a para tener coherencia espacial grande, lo peque�o o grande de la fuente era en comparaci�n con la longitud de onda de la onda luminosa. De aqu� se puede concluir que es relativamente m�s f�cil producir una onda de radio coherente que una onda de luz coherente. Esta es la raz�n por la cual pr�cticamente todas las ondas de radio y televisi�n son coherentes, y por supuesto existen mucho antes de la aparici�n del l�ser.
A fin de comprender el fen�meno de emisi�n estimulada, comencemos por recordar que la luz es emitida y absorbida por los �tomos mediante los mecanismos llamados de emisi�n y de absorci�n, respectivamente. Si el electr�n de un �tomo est� en una �rbita interior, puede pasar a una exterior solamente si absorbe energ�a del medio que lo rodea, generalmente en la forma de un fot�n luminoso. Este es el proceso de absorci�n que se representa mediante los diagramas de la figura 25(a). Si el electr�n se encuentra en una �rbita exterior, puede caer a una �rbita interior si pierde energ�a, lo cual puede tambi�n suceder mediante la emisi�n de un fot�n. Este proceso de emisi�n se muestra en los diagramas de la figura 25(b). En ambos procesos la frecuencia V de la onda absorbida o emitida est� determinada por la magnitud E de la energ�a emitida o absorbida, seg�n la relaci�n ya obtenida por Planck, como mencionamos anteriormente:
Figura 25. Esquemas que representan los procesos at�micos de (a) emisi�n
espont�nea, (b) absorci�n y (c) emisi�n estimulada.
Cuando un electr�n est� en una �rbita exterior tambi�n decimos que est� en
un estado superior. El electr�n no puede permanecer en un estado superior un
tiempo demasiado grande, sino que tiende a caer al estado inferior, emitiendo
un fot�n, despu�s de un tiempo sumamente corto, menor que un microsegundo, al
que se denomina vida media del estado. Es por eso que este proceso de emisi�n
se conoce como emisi�n espont�nea.
Figura 26. Emisi�n incoherente de fotones de una fuente de luz extendida.
La energ�a que necesita un electr�n para subir al estado superior no necesariamente
se manifiesta bajo la forma de fot�n luminoso. Tambi�n puede absorber la energ�a
que se le comunique mediante otros mecanismos, como por ejemplo, mediante una
colisi�n con otro �tomo. Si estamos subiendo constantemente los �tomos de un
cuerpo al estado superior mediante un mecanismo cualquiera, �stos caer�n espont�neamente
al estado inferior emitiendo luz. A este proceso se le conoce con el nombre
de "bombeo �ptico". La emisi�n de luz es entonces un proceso en el que todos
los �tomos del cuerpo participan, pero en forma independiente y totalmente desincronizada.
Dicho de otro modo, las fases de las ondas no tienen ninguna relaci�n entre
s�, o lo que es lo mismo, las crestas de estas ondas no est�n alineadas, como
se muestra en la figura 26.
Figura 27. Amplificaci�n de luz por medio de emisi�n estimulada.
Existe una segunda forma de emisi�n de luz por un �tomo, llamada emisi�n estimulada, que se representa mediante el diagrama de la figura 25(c). Si un electr�n est� en el estado superior y recibe un fot�n de la misma frecuencia del que emitir�a si bajara al nivel inferior, desestabilizar� a este �tomo, induci�ndolo a emitir inmediatamente. Despu�s de esta emisi�n estimulada existir�n dos fotones en lugar de uno, el que estimul� y el estimulado. Naturalmente, para que la emisi�n estimulada tenga lugar se requiere que el electr�n permanezca en el estado superior un tiempo suficientemente largo para darle oportunidad al fot�n estimulador a que llegue al �tomo. Por esta raz�n, el proceso de emisi�n estimulada es m�s f�cil si el nivel superior tiene una vida media relativamente larga.
Como los �tomos tienden constantemente a caer al estado o nivel inferior, la mayor�a de ellos en un momento dado estar�n ah�. Lo que logra el bombeo �ptico es que la mayor�a de los �tomos est�n constantemente en el nivel superior. Este proceso se denomina inversi�n de poblaci�n, y es absolutamente indispensable para que se produzca la emisi�n l�ser. Consideremos un material en la figura 27, sujeto a bombeo �ptico a fin de que sus �tomos regresen constantemente al nivel superior. Supongamos tambi�n que la vida media de este estado superior es lo suficientemente larga como para permitir la emisi�n estimulada. Finalmente, hagamos incidir en este material un fot�n de la frecuencia adecuada para provocar la emisi�n estimulada. Es f�cil ver que se provocar� una reacci�n en cadena, por lo que a la salida se tendr�n no uno, sino una multitud de fotones. Dicho de otro modo, se habr� amplificado la luz mediante el mecanismo de emisi�n estimulada.
A fin de que �ste sea un proceso continuo, podemos colocar un espejo semitransparente
a la salida, para regresar parte de los fotones que salen, y as� seguir provocando
la emisi�n estimulada. A la entrada se coloca otro espejo, totalmente reflector.
Este dispositivo se muestra en la figura 28. Naturalmente, el lector se estar�
preguntando c�mo se puede ahora introducir al l�ser el primer fot�n disparador
de la emisi�n estimulada. Esto no es necesario, pues tarde o temprano se producir�
un fot�n por emisi�n espont�nea.
Figura 28. Uso de espejos retroalimentadores de la luz para hacer
un l�ser.
IV.4. DIFERENTES TIPOS DE L�SERES
Como ya se mencion� antes, el primer l�ser lo construy� Theodore H. Maiman
en Malib�, California. Trabajando solo, sin ninguna ayuda, Maiman construy�
su l�ser con una barra de rub� aproximadamente de un cent�metro de di�metro,
rodeada de una l�mpara de xen�n en forma de h�lice. Los extremos de la barra
de rub� hab�an sido recubiertos con unas pel�culas reflectoras, a fin de que
actuaran como espejos. El bombeo �ptico de los �tomos de cromo del rub� se efectuaba
mediante una descarga luminosa muy intensa proporcionada por la l�mpara de xen�n,
como se muestra en la figura 29. El l�ser entonces emit�a una descarga muy r�pida
e intensa de luz roja. Este tipo de l�ser no era continuo sino pulsado o intermitente.
Figura 29. Esquema del l�ser de rub�.
Figura 30. Esquema del l�ser de helio-ne�n.
Figura 31. Fotograf�a de un l�ser de helio-ne�n construido en el Instituto
de Astronom�a de la UNAM en 1967 por Daniel Malacara y colaboradores.
Maiman redact� sus resultados y los mand� a una de las revistas de m�s prestigio, que es la Physical Review Letters. Incre�blemente, el art�culo le fue rechazado por considerar los editores que el campo de los m�seres ya no era una gran novedad. En 1960 el art�culo fue enviado a la revista brit�nica Nature, donde lo publicaron inmediatamente, aunque no conten�a m�s de 300 palabras. Ese mismo a�o Arthur Schawlow construy� el primer l�ser de gas, el ahora sumamente popular l�ser de helio-ne�n. Este l�ser consta de un tubo de vidrio que tiene en su interior una mezcla de los gases helio y ne�n, como se muestra en la figura 30. Los �tomos que producen la emisi�n l�ser son los del ne�n. El prop�sito de emplear el helio es producir colisiones entre los �tomos de helio y los del ne�n, para que la energ�a del choque sea absorbida por los �tomos del ne�n, produciendo as� el bombeo �ptico. A fin de provocar estas colisiones se establece una corriente el�ctrica dentro del gas, por medio de dos electrodos. En los extremos del tubo se colocan los espejos para retroalimentar el l�ser. La figura 31 muestra un l�ser de helio-ne�n fabricado en M�xico, y la figura 32 uno comercial.
Los principales tipos de l�seres que existen se pueden clasificar en continuos o pulsados, de baja potencia o de alta potencia, seg�n el color de la luz que emiten, o seg�n el material del que est�n hechos. A continuaci�n se mencionar�n brevemente algunos de los principales l�seres, clasific�ndolos seg�n el estado del material que se usa como medio amplificador:
a) L�seres de gas. Estos son sin duda los l�seres m�s comunes y �tiles.
El siguiente cuadro muestra algunos de estos l�seres, con sus principales caracter�sticas.
| CUADRO 3. Algunos l�seres de gas |
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| Sistema |
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| He-Ne |
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| He-Cd |
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| He-Se |
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| Ar+ |
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| Kr+ |
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Co2-N2-He |
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Los primeros tres l�seres tienen mucho en com�n. En �stos, el helio tiene como funci�n ayudar en el proceso del bombeo �ptico. El elemento activo es el ne�n en el primero, el vapor de cadmio en el segundo y el vapor de selenio en el tercero. El primero de estos l�seres es el m�s popular. Estos l�seres se construyen con un tubo de vidrio con dos electrodos internos para mantener una descarga el�ctrica a trav�s del gas.
Una segunda categor�a de l�seres de gas son los de gas ionizado, por ejemplo,
los de arg�n y kript�n ionizados. Estos l�seres requieren de una corriente muy
grande, del orden de amperes, para poder ionizar el gas y producir la inversi�n
de poblaci�n. La corriente tan alta impone muchas restricciones de tipo pr�ctico
que no tienen los otros l�seres. Por ejemplo, es necesario el enfriamiento por
agua, y el tubo debe tener una construcci�n muy complicada y especializada.
Adem�s, la vida de estos l�seres es corta, comparada con la de los otros l�seres
de gas. A cambio de estas desventajas, la potencia es grande, del orden de varios
watts.
Figura 32. Un l�ser de helio-ne�n comercial.
La figura 33 muestra el espectro de emisi�n de un l�ser de arg�n ionizado. Como se puede ver; emite varias l�neas al mismo tiempo, lo que en algunos casos puede ser una desventaja. Con el prop�sito de seleccionar una sola l�nea haciendo que la cavidad quede alineada s�lo para esa longitud de onda, frecuentemente se coloca un prisma dispersor dentro de la cavidad del l�ser.
El l�ser de bi�xido de carbono funciona con niveles de energ�a moleculares
en lugar de at�micos. La potencia infrarroja que emite en 10.6 m
es tan alta que puede cortar muy f�cilmente una gran variedad de materiales.
Por ello, sus aplicaciones industriales son muy grandes. La figura 34 muestra
un l�ser de bi�xido de carbono construido en el Centro de Investigaciones en
�ptica, A. C.
Figura 33. Espectro de emisi�n del l�ser de arg�n ionizado.
b) L�seres s�lidos. Se entiende por l�ser s�lido aquel en el que el
medio activo es s�lido. Esto incluye a los semiconductores, llamados tambi�n
de estado s�lido. El cuadro 2 muestra algunos de los principales l�seres s�lidos.
Figura 34. L�ser de bi�xido de carbono construido en el Centro de Investigaciones
en �ptica, en 1987, por el doctor Vicente Aboites y colaboradores.
El l�ser de rub�, ya descrito anteriormente, fue el primero en inventarse. El cromo de una barra de rub� es el elemento activo. Como ya se describi� antes, para excitar este l�ser se usa una l�mpara helicoidal de xen�n pulsada. Como el pulso de la l�mpara de xen�n debe ser muy intenso, se dispara por medio de un banco de capacitores. Este l�ser es pulsado, aunque se pueden obtener pulsos dobles, separados menos de un microsegundo, con el fin de emplearlos en la holograf�a interferom�trica, que se describir� m�s adelante.
El l�ser de Nd-YAG (del ingl�s: NeodimiumYttrium Aluminum Garnet) tiene como elemento activo el neodimio hospedado en una barra de YAG. Al igual que el l�ser de rub�, se excita con una l�mpara de xen�n pulsada.
El l�ser semiconductor; a diferencia de los otros s�lidos, se excita con una
corriente el�ctrica. Este l�ser puede ser tanto pulsado como continuo; es muy
compacto y se puede modular, es decir, transmitir informaci�n con �l muy f�cilmente.
El haz luminoso es infrarrojo, con una longitud de onda de 900 nm y tiene forma
de abanico al salir del l�ser, con una divergencia angular de alrededor de ocho
grados. Aunque su coherencia no es muy alta, es el dispositivo ideal para comunicaciones
por fibras �pticas. Éste es el l�ser que se usa en los reproductores
de sonido a base de discos digitales compactos, y en las lecturas de discos
�pticos para computadora. La figura 35 muestra uno de estos l�seres.
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CUADRO 4. Algunos l�seres s�lidos |
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c) L�seres L�quidos. Como su nombre lo indica, en estos l�seres el medio
activo es l�quido y generalmente es un colorante, como la rodamina 6G, disuelta
en un l�quido.
Figura 35. Un l�ser de estado s�lido.
La gran ventaja de estos l�seres es que se pueden sintonizar a cualquier color deseado, desde el infrarrojo hasta el ultravioleta, seg�n el colorante que se use. En cambio, tienen la gran desventaja de que su excitaci�n tiene que hacerse con el haz coherente de otro l�ser, como el de arg�n.
IV.5. LOS L�SERES EN LA INDUSTRIA
El hecho de que los l�seres de alta potencia, enfocados sobre un punto, puedan perforar o cortar un material sobre el que se enfoquen los hace sumamente �tiles en la industria para una gran diversidad de funciones. Para la mayor�a de las aplicaciones industriales se usan solamente cuatro l�seres, que son el de bi�xido de carbono, el de rub�, el de neodimio en YAG y el de neodimio en vidrio. El de bi�xido de carbono y el de neodimio en YAG pueden operar tanto en forma continua como pulsada, mientras que el de rub� y el de neodimio en vidrio s�lo pueden operar en forma pulsada. Las principales operaciones b�sicas que puede efectuar un l�ser en la industria se pueden clasificar como sigue:
a) Perforaci�n de agujeros. La capacidad del l�ser (debida a su gran coherencia espacial) de poder concentrar la energ�a en un punto muy peque�o, nos permite perforar algunos materiales. Esta perforaci�n puede ser extremadamente peque�a y en materiales tan duros como el diamante. La potencia necesaria para hacer una perforaci�n depende, como es l�gico, del material. Los materiales blandos se pueden perforar con l�seres de relativamente baja potencia, como el de bi�xido de carbono. Los materiales duros, en cambio, pueden requerir la potencia de un l�ser de rub�. Las mamilas de los beb�s, en algunas f�bricas, se perforan ya con l�ser, y se obtienen agujeros m�s perfectos y r�pidos que con medios mec�nicos. Una desventaja de los agujeros hechos con l�ser es su forma generalmente c�nica.
b) Corte de materiales. Si el haz enfocado del l�ser se mueve con respecto al material, en lugar de producir solamente un agujero hace un corte. Tanto en el caso de los agujeros como en el de los cortes es necesario que la energ�a luminosa no sea reflejada sino absorbida por el material. Por esta raz�n, los materiales transparentes como el vidrio o los altamente reflectores como los metales no son los objetos ideales para esta operaci�n. En el caso de los metales este problema se ha resuelto mediante un chorro de ox�geno, dirigido al mismo punto que el l�ser, a fin de favorecer la combusti�n en el punto calentado por el l�ser.
Los materiales ideales para ser cortados con l�ser son las telas, pl�sticos, algunos materiales sint�ticos, fibras, pieles y otros similares. La madera no es un material adecuado, debido a que sus orillas se carbonizan.
c) Marcas y grabados. Si se controla la potencia del l�ser y la velocidad relativa del punto donde se enfoca la luz sobre el material, se pueden grabar materiales en su superficie sin cortarlos. Los fabricantes de circuitos integrados usan l�seres para grabar sobre las obleas de silicio con las que se fabrican estos dispositivos.
d) Soldaduras. Si la potencia del l�ser se selecciona de tal manera que el material no se volatilice, sino que s�lo se funda, no se producir� ning�n corte, sino tan s�lo una fusi�n local. De esta manera se pueden soldar piezas met�licas. En el caso de las soldaduras de microcircuitos, este m�todo aumenta la velocidad y confiabilidad de la uni�n soldada en varios �rdenes de magnitud. Una ventaja de los alambres que tienen barniz aislante es que se limpian y sueldan en una sola operaci�n.
IV.6. LOS L�SERES COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
Todas las medidas interferom�tricas que se describieron en la secci�n sobre interferometr�a se pueden efectuar con la luz de un l�ser, pero con la enorme ventaja de que la alta coherencia tanto espacial como temporal de la luz l�ser permite efectuar estas medidas con mucha mayor sencillez y precisi�n.
Adem�s, podemos mencionar las siguientes aplicaciones metrol�gicas, que desde luego no son las �nicas, pero que nos sirven como ejemplo:
a) En las construcciones. Aprovechando la propagaci�n rectil�nea de la luz, se puede usar la luz visible del l�ser de helio-ne�n para una gran variedad de trabajos. Por ejemplo, se puede usar para alineaci�n de t�neles, caminos, surcos de cultivo, etc. Tambi�n se pueden nivelar o aplanar terrenos. Con el auxilio de otras componentes �pticas, como prismas, se puede tambi�n comprobar la perpendicularidad, horizontalidad o verticalidad de superficies.
b) En agrimensura o topograf�a. Ya se fabrican comercialmente instrumentos que, basados en un l�ser de helio ne�n, tienen como prop�sito medir distancias. Para ello se coloca el instrumento en un extremo de la distancia a medir y en el otro extremo un prisma retrorreflector. Este prisma es un sistema que, aunque no est� bien orientado, regresa el haz luminoso por el mismo camino que lleg�. Esto no lo podr�a hacer un espejo plano com�n, a menos que se colocara exactamente perpendicular al haz luminoso incidente, lo cual no es f�cil. As� colocados instrumento y retrorreflector, el l�ser env�a pulsos luminosos muy r�pidos, que recorren el trayecto a medir dos veces, de ida y de regreso. Al regresar la luz, un dispositivo electr�nico dentro del mismo instrumento determina la distancia recorrida por la luz, por el tiempo que tardaron en ir y venir los pulsos luminosos.
Esta forma de medir distancias no s�lo es m�s exacta y r�pida que los m�todos convencionales, sino que en algunos casos es la �nica. Por ejemplo, con este m�todo se pueden medir las distancias entre dos puntos situados en dos monta�as separadas.
c) En medidas astron�micas. Con el principio descrito en la secci�n anterior es posible medir la distancia de la Tierra a la Luna con una exactitud de unos cuantos cent�metros. Con este fin, los viajeros de la nave Apolo 11 colocaron sobre la superficie de la Luna un sistema de prismas retrorreflectores. Dada la distancia, los pulsos del l�ser se enviaron con un l�ser de rub� instalado en un telescopio astron�mico. Con este m�todo no solamente se ha medido la distancia con muy peque�o margen de error, sino que adem�s se han podido detectar peque�as variaciones en esta distancia, lo que de otra manera hubiera sido imposible.
En 1976 se coloc� en �rbita un sat�lite geodin�mico denominado Lageos. La superficie del sat�lite est� cubierta por 496 retrorreflectores. Estos reflejan pulsos luminosos emitidos por l�seres en la superficie de la Tierra. Por medio de este sat�lite se han podido determinar con gran precisi�n peque�os movimientos relativos de dos zonas diferentes en la corteza terrestre.
d) En control de calidad. El l�ser combinado con t�cnicas interferom�tricas es el instrumento m�s exacto que existe para medir distancias peque��simas, como se ha descrito ya en la secci�n sobre interferometr�a. El l�ser es la fuente de luz ideal para cualquier experimento interferom�trico. Ciertamente se hace interferometr�a desde muchos a�os antes de que el l�ser existiera, pero no en forma tan simple, c�moda y precisa como se puede hacer ahora.
Una de las aplicaciones obvias de los l�seres es en cierto tipo de cirug�as, donde el haz luminoso del l�ser puede reemplazar con grandes ventajas al bistur�. La principal ventaja es que al mismo tiempo que corta va cauterizando los peque�os vasos sangu�neos, evitando pr�cticamente toda hemorragia. La mayor�a de los l�seres usados en cirug�a son de bi�xido de carbono. La intensidad y la velocidad del punto luminoso se regulan a fin de controlar la penetraci�n del corte. Como el l�ser es en general un instrumento muy grande, el haz luminoso se lleva a la regi�n deseada mediante un brazo plegable parecido al de los dentistas, con espejos en los codos del brazo. Mediante una lente al final de este brazo se enfoca el haz en el punto deseado.
El elevado precio del l�ser y sus accesorios hace que la cirug�a con l�ser se efect�e solamente cuando es absolutamente necesario, aunque el grado de uso tiende a aumentar de manera constante. Sin embargo, es l�gico esperar que el l�ser jam�s llegue a eliminar por completo al bistur�. Las aplicaciones m�s exitosas del l�ser en cirug�a son los siguientes tipos de operaciones:
a) Cirug�a ginecol�gica. Los c�nceres de la vagina y del �tero tienen el gran inconveniente de que est�n ubicados en lugares de dif�cil acceso para el cirujano y, para agravar la situaci�n, frecuentemente el c�ncer est� esparcido en una gran �rea. Esta es la situaci�n ideal para el l�ser, pues puede irradiarse con la luz del l�ser toda el �rea deseada cuantas veces se quiera, a fin de destruir las c�lulas malignas sin provocar ning�n sangrado. Esta t�cnica la viene aplicando con mucho �xito desde hace algunos a�os el doctor Michael S. Baggish en el Hospital de Monte Sina�, en Hartford, Connecticut.
b) Operaciones de la garganta y del o�do. La garganta y el o�do son �rganos muy delicados, que f�cilmente pueden lastimarse con la cirug�a convencional. Con el l�ser se pueden cortar o cauterizar zonas peque��simas de estos �rganos sin lastimar el resto. El l�ser m�s usado para este tipo de intervenciones es el de arg�n.
c) Cirug�a oftalmol�gica. La diabetes, con el tiempo, tiene una gran propensi�n a provocar una degeneraci�n de la retina del ojo, llamada retinopat�a diab�tica. Esta enfermedad ha llegado a ser la causa n�mero uno de la ceguera. La causa de este tipo de ceguera es la proliferaci�n de vasos sangu�neos en la retina, que frecuentemente se rompen debido a su gran fragilidad. El tratamiento consiste en fotocoagular con la luz de un l�ser de arg�n estos vasos. El l�ser m�s usado es el de arg�n, debido a que su color verde hace que sea m�s f�cilmente absorbido por la sangre, que es roja. La luz del l�ser se enfoca sobre el punto deseado en la retina, usando como lente enfocadora la misma lente del ojo, por lo que no es necesario abrir el ojo con bistur�.
Desgraciadamente, esta t�cnica no es tan eficaz como se desear�a, pues ayuda a reducir o impedir la ceguera en tan s�lo el cincuenta por ciento de los casos. Por otro lado, la t�cnica convencional de la fotocoagulaci�n con una l�mpara de xen�n de alta intensidad es tan efectiva como el l�ser. La ventaja de este �ltimo es su mayor facilidad de manejo.
d) Destrucci�n de �lceras hemorr�gicas. La combinaci�n del endoscopio y el l�ser es un instrumento ideal para la coagulaci�n de las �lceras hemorr�gicas. El m�dico localiza la �lcera observando a trav�s del endoscopio y luego env�a la luz del l�ser a lo largo de una fibra �ptica que va unida al endoscopio. Los l�seres m�s usados han sido en primer lugar el de neodimio en YAG y en segundo lugar el de arg�n. El alto costo del equipo ha impedido que esta t�cnica se haga m�s popular.
e) Cicatrizaci�n r�pida de heridas. Se ha observado que la exposici�n prolongada a la luz de un l�ser de baja potencia como el de helio-ne�n o el de arg�n puede ayudar a la cicatrizaci�n y endurecimiento de heridas ulcerosas peque�as. La desventaja de este tratamiento es que es muy largo, con muchas sesiones de varias horas de exposici�n al l�ser. El mecanismo que ayuda a la cicatrizaci�n no ha sido todav�a comprendido, ni este uso se ha difundido mucho.
f) Cirug�a de tumores cancerosos. En el Instituto Roswell Park Memorial en B�falo, Nueva York, el doctor Thomas Dougherty ha realizado el experimento que ahora describiremos. A un paciente con c�ncer se le inyecta un colorante que ha sido seleccionado de tal manera que sea absorbido preferentemente por las c�lulas cancerosas. Despu�s se ilumina la regi�n donde est� el tumor con un l�ser de alta potencia. La luz del l�ser es de tal color que es absorbido de manera especial por las c�lulas coloreadas, es decir, por las cancerosas, destruyendo el tejido maligno sin afectar al tejido sano. Este proceso se encuentra todav�a en la etapa de experimentaci�n, pero hay muchas esperanzas de �xito.
IV.8. LOS L�SERES EN LAS COMUNICACIONES
Las telecomunicaciones han tenido una gran revoluci�n desde la aparici�n del l�ser. Antes del l�ser ya se hab�a experimentado con la comunicaci�n por ondas luminosas, pero sin un gran �xito debido a la falta de coherencia, ya que es necesaria una gran monocromaticidad y direccionalidad.
En las comunicaciones casi siempre se emplea una t�cnica llamada en ingl�s multiplexing, para transmitir varios canales de informaci�n en una misma onda luminosa o de radio. Cada canal tiene un cierto ancho de banda para poder transmitir la informaci�n. Por ejemplo, un canal telef�nico requiere al menos 5 kHz, un canal de transmisi�n de m�sica en alta fidelidad requiere de 15 kHz, y un canal de televisi�n requiere de 3.5 MHz. Cuando se transmiten varios canales en una sola onda, llamada portadora, se colocan estos canales uno en seguida del otro. As�, diez canales telef�nicos ocupar�an un ancho de banda total de 50 kHz.
Es obvio que el n�mero de canales que se pueden transmitir en una onda es igual al ancho de banda total disponible para la informaci�n que se desea transmitir, dividido entre el ancho de banda necesario para cada canal. Por lo tanto es deseable que el ancho de banda total sea 10 m�s grande posible, pero �ste est� limitado por muchos factores tanto en el transmisor como en el receptor y por supuesto tambi�n por la frecuencia de la onda portadora. En este aspecto el l�ser es la fuente ideal para las comunicaciones, pues su ancho de banda potencial es casi 100 000 veces mayor que el de un transmisor de microondas. Aunque hay detalles pr�cticos que han impedido llegar a ese l�mite, s� es definitivamente mucho mayor su capacidad de transmitir informaci�n.
El problema de las ondas luminosas es que son m�s f�cilmente esparcidas o absorbidas por la atm�sfera, y esto limita mucho su alcance. Una soluci�n es usar longitudes de onda que sean menos perturbadas por la atm�sfera, las cuales se encuentran en el infrarrojo. Por esta raz�n es m�s conveniente usar un l�ser de bi�xido de carbono o de neodimio que uno de helio-ne�n. Una posible ventaja en algunos casos es la facilidad de su empleo, ya que el haz luminoso se puede dirigir a donde se desee con mucho mayor direccionalidad que las microondas, debido a su menor longitud de onda. La raz�n es que una onda se abre y se separa de su trayectoria debido a la difracci�n, tanto m�s cuanto mayor sea su longitud de onda.
Otra soluci�n al problema de la atm�sfera es transmitir la onda luminosa en una fibra �ptica. A pesar de su costo, este m�todo es barato comparado con el precio de un cable coaxial. Las fibras �pticas combinadas con l�seres de estado s�lido son ahora muy usadas en las redes telef�nicas en todo el mundo.
IV.9. LOS L�SERES EN LA INVESTIGACI�N CIENT�FICA
En la investigaci�n cient�fica el l�ser es una herramienta util�sima, que se usa cada vez con m�s frecuencia. Para ilustrar este punto, mencionaremos las siguientes aplicaciones:
a) Fusi�n de hidr�geno. Existen dos maneras de obtener energ�a del �tomo. La primera es mediante el proceso llamado de fisi�n del uranio, que consiste en partir los n�cleos del �tomo de uranio. El m�todo se lleva a cabo bombardeando con part�culas una masa de uranio mayor que una cierta cantidad llamada masa cr�tica. Este es el proceso que se lleva a cabo en los reactores nucleares y, por supuesto, en la bomba at�mica. Tiene la gran desventaja de que produce residuos de part�culas radiactivas que son muy peligrosas, y resulta muy dif�cil deshacerse de ellas.
El segundo m�todo de obtener energ�a del �tomo es mediante un proceso esencialmente opuesto al de la fisi�n. El m�todo consiste en la fusi�n de dos �tomos de hidr�geno para obtener un �tomo de helio. En el proceso se libera la energ�a deseada. Ésta es la manera en la cual producen energ�a el Sol y las estrellas. La gran ventaja de este m�todo sobre el de la fisi�n de uranio es que el proceso mismo no deja residuos radiactivos, y que el hidr�geno es un material mucho m�s abundante que el uranio. Es tan abundante que se encuentra disponible en grandes cantidades en el agua de los oc�anos. La desventaja es que la fusi�n de hidr�geno no se puede iniciar sin una gran presi�n y temperatura, pero �stas se han obtenido mediante la explosi�n de una bomba at�mica de uranio. Sin embargo, as� se pierde una de las grandes ventajas inherentes de la reacci�n, que es la de no producir materiales radiactivos ni usar uranio. Esta es la llamada bomba de hidr�geno.
Aqu� es precisamente donde aparece el l�ser en escena. Mediante un gran n�mero de l�seres de muy alta potencia enfocados sobre una peque�a regi�n es posible producir tanto la temperatura como la presi�n deseadas. Una vez iniciada la fusi�n, la misma reacci�n mantiene la presi�n y la temperatura deseadas.
Desafortunadamente la fusi�n iniciada por l�ser a�n se encuentra en la etapa de experimentaci�n. Para ello se est�n realizando los experimentos m�s impresionantes y costosos que se han llevado a cabo en los �ltimos tiempos. Un l�ser de muy alta potencia se encuentra en el Laboratorio Nacional de la Lawrence Libermoore, en Libermoore, California. Tiene un tama�o equivalente al de un edificio de cuatro pisos y recibe el nombre de Shiva en memoria de la diosa hind� de m�ltiples brazos, diosa de la creaci�n y la destrucci�n. Su costo es superior a los 25 millones de d�lares.
Se cree que la fusi�n de hidr�geno ser� la forma de obtener energ�a en el futuro, cuando el petr�leo se agote, pero tal vez para ello falten a�n m�s de veinte a�os.
b) Obtenci�n de presiones y temperaturas extremadamente bajas. Seg�n la forma en la que se use el l�ser, se pueden lograr presiones y temperaturas muy altas o muy bajas. Con su ayuda se han podido obtener vac�os casi perfectos y temperaturas cercanas al cero absoluto.
IV.10. LOS L�SERES EN LA VIDA DIARIA
Los l�seres son ahora tan populares que han invadido ya nuestras actividades cotidianas. Los l�seres continuos de gas, tanto de helio-ne�n como los de arg�n se usan frecuentemente para usos decorativos. Un ejemplo es el l�ser de arg�n del faro de la Gran Plaza en la ciudad de Monterrey, Nuevo Le�n. Otro ejemplo son los l�seres de arg�n que se han usado ya varias veces en la Plaza de la Constituci�n en la ciudad de M�xico, durante la fiesta de la Independencia, la noche del 15 de septiembre. Controlando r�pidamente la direcci�n del haz por medio de reflectores electro-�pticos, se han formado figuras luminosas enormes sobre las paredes de los edificios de la plaza. Finalmente, otro ejemplo muy com�n son los l�seres de helio-ne�n que se usan para proyectar figuras de todos tipos en los salones de algunas discotecas.
Los l�seres continuos de gas son la fuente luminosa que se emplea para leer el c�digo de barras que se encuentra ahora en una multitud de productos. Mediante la lectura de este c�digo se pasa la informaci�n sobre el tipo de producto a una computadora, donde se encuentra almacenado el costo, el precio, las existencias, el nombre y direcci�n del proveedor, etc. De esta manera toda la contabilidad y control de existencias se puede llevar a cabo autom�ticamente, sin necesidad de una intervenci�n humana que pueda introducir errores.
Los l�seres de estado s�lido se usan en las impresoras l�ser para computadora. Estas impresoras funcionan con base en un proceso muy similar al de las copiadoras Xerox, pero con la diferencia de que la imagen no la forma un sistema de lentes sino la iluminaci�n directa con un peque�o l�ser controlado por la computadora.
Los l�seres de estado s�lido se usan ya en un gran n�mero de aparatos dom�sticos. El uso m�s popular de ellos es, sin duda, en los reproductores de m�sica de disco compacto digital.
