XXX. EL L�SER

EL L�SER es un dispositivo que produce haces de luz muy colimados y de una intensidad mucho m�s alta que la que pueden tener fuentes convencionales de luz. A continuaci�n daremos una breve explicaci�n del funcionamiento de un l�ser.

Como se vio en el cap�tulo XXVIII, los �tomos y mol�culas son entes que tienen niveles de energ�a bien definidos; adem�s, en los �tomos pueden ocurrir transiciones justamente entre los niveles de energ�a permitidos.

Ahora bien, si un �tomo est� en un nivel excitado, al ocurrir una transici�n a un nivel m�s bajo emite energ�a en forma de radiaci�n electromagn�tica; m�s precisamente, se dice que se ha emitido un fot�n. Mencionamos que la radiaci�n electromagn�tica tiene una naturaleza muy especial: si interacciona con la materia, como por ejemplo con �tomos, se comporta como si fuera una part�cula, un fot�n. Si no interacciona con la materia se comporta como si fuera una onda. ²

La frecuencia de la onda que emite el �tomo es proporcional a la energ�a emitida, es decir, a la separaci�n entre los niveles en cuesti�n. Si resulta que la frecuencia tiene el valor que cae entre los l�mites del espectro visible, el �tomo estar� emitiendo ondas electromagn�ticas que el ojo humano registra como luz visible. Dado que la frecuencia de la radiaci�n est� asociada al color que le asignamos (si est� dentro de la regi�n visible), lo anterior significa que un �tomo dado s�lo puede emitir ciertos colores perfectamente caracter�sticos. Los �tomos tambi�n emiten radiaci�n con frecuencias que est�n fuera de la regi�n visible, por ejemplo en el infrarrojo o el ultravioleta; el ojo humano no ve estas radiaciones.

Asimismo, el �tomo puede absorber energ�a electromagn�tica al pasar de un nivel a otro de mayor energ�a. Una de las posibilidades es cuando absorbe energ�a electromagn�tica, y se dice que el �tomo ha absorbido un fot�n; cuando pasa de un nivel inferior de energ�a a otro superior, como cuando experimenta una colisi�n, tambi�n absorbe energ�a. Veamos lo que sucede en el caso de la absorci�n de energ�a electromagn�tica.

Seg�n lo que se acaba de explicar, el �tomo solamente puede absorber energ�a que tenga valores bien precisos, a saber, iguales a la diferencia de energ�as entre los niveles en que ocurre la transici�n. Si el �tomo absorbe radiaci�n electromagn�tica solamente podr� hacerlo para valores de la frecuencia bien determinados. Si sobre el �tomo incide radiaci�n electromagn�tica que tenga frecuencia de un valor distinto a cualquiera de los mencionados, el �tomo no absorber� dicha radiaci�n; en este caso el �tomo es transparente a la radiaci�n incidente.

Si se tiene un conjunto de �tomos, como los que componen un gas, que est� en equilibrio a una temperatura dada, entonces la mayor�a de ellos se encuentra en su estado base; otro n�mero menor de �tomos est� en el primer estado excitado, y otro n�mero todav�a m�s peque�o se encuentra en el segundo estado excitado, etc. Si en estas condiciones se iluminan estos �tomos con luz de frecuencia que corresponde a la diferencia de energ�as entre el estado base y el primer excitado, digamos, entonces el gas absorber� energ�a de la radiaci�n. En estas circunstancias el campo de radiaci�n disminuye su intensidad, porque parte de su energ�a fue absorbida por los �tomos del gas. Si la frecuencia de la onda incidente no es igual a la que corresponde a alguna diferencia entre los niveles de energ�a del �tomo, la sustancia no absorbe nada y el haz la cruza; se trata de una sustancia transparente.

Sup�ngase que de alguna manera se pudiera lograr que en un gas hubiera m�s �tomos en el primer estado excitado que en el estado base, que corresponde a una situaci�n que no es de equilibrio. En estas condiciones, los �tomos pasar�n en mayor n�mero del estado excitado al base, es decir, habr� emisi�n neta de energ�a del �tomo al campo de radiaci�n. Si la cantidad de energ�a proporcionada por los �tomos es mayor que las inevitables p�rdidas que ocurren, entonces la intensidad de la radiaci�n aumentar�. El proceso por medio del cual se logra la inversi�n de la poblaci�n de los niveles de energ�a se llama bombeo �ptico, y para lograrlo se requiere que un agente externo proporcione energ�a a la sustancia. Por tanto, el bombeo �ptico es el mecanismo por medio del cual se entrega esta energ�a, que se transforma en energ�a de la radiaci�n que emiten los �tomos.

Ahora bien, cuando un �tomo est� en un estado excitado puede ocurrir la transici�n a un estado de energ�a m�s bajo en forma espont�nea, con la consecuente emisi�n de radiaci�n, o sea de un fot�n, tal como lo hemos descrito arriba. Albert Einstein (1879-1955) descubri� en 1917 que si un �tomo excitado se encuentra metido dentro de un campo de radiaci�n electromagn�tica, tambi�n puede ocurrir otro proceso de emisi�n, que es inducido o estimulado por el campo. Si el fot�n de la radiaci�n incidente tiene la energ�a adecuada (que debe corresponder a la diferencia de energ�as entre los niveles en los que ocurrir� la transici�n), y si el sistema tiene un buen n�mero de �tomos en estados excitados, o sea que se ha invertido apreciablemente esta poblaci�n, tendr� una buena probabilidad de encontrar un �tomo excitado y de inducirlo a emitir otro fot�n igual. Por tanto, salen en forma neta dos fotones iguales: el que lleg� y el inducido. Mientras mayor sea la intensidad del campo, mayor ser� la probabilidad de que ocurra la emisi�n inducida. Los dos fotones que salieron del �tomo incidir�n sobre sendos �tomos excitados y a su vez saldr�n nuevos fotones, gener�ndose as� una cascada de fotones, todos ellos con la misma frecuencia.

Es claro que si no hay campo electromagn�tico presente no habr� emisi�n inducida.

Ahora bien, resulta que las radiaciones emitidas en forma espont�nea que ocurren en un gas de �tomos tienen caracter�sticas distintas a las de la radiaci�n inducida o estimulada. La radiaci�n espont�nea que emite cada �tomo de un gas ocurre en forma azarosa, debido a que el momento preciso en que un �tomo emite un fot�n espont�neamente se da al azar. Por tanto, diferentes �tomos excitados emiten fotones en forma independiente de los otros. Esto tiene como consecuencia que, por ejemplo, las fases de la radiaci�n emitida por dos �tomos sean, en general, completamente independientes una de la otra. Se dice que esta muestra emite ondas que est�n desfasadas (Figura 21). Por otro lado, cuando hay emisi�n inducida las ondas resultantes est�n en fase (Figura 22) ya que el agente que induce la emisi�n, el campo electromagn�tico externo, trabaja simult�neamente sobre varios �tomos. Por tanto, en la emisi�n espont�nea las diferentes ondas est�n desfasadas al azar, mientras que en la emisi�n inducida o estimulada las ondas emitidas est�n todas en fase.

Cuando dos ondas se unen, la amplitud neta que adquieren depende de la diferencia de fases que haya entre ellas. Si las ondas est�n desfasadas, la intensidad resultante es bastante baja (Figura 21) y puede ser nula, mientras que cuando no hay diferencia de fases la intensidad resultante es bastante grande (Figura 22). Por tanto, la intensidad de la radiaci�n inducida o estimulada es mucho mayor que la de la radiaci�n espont�nea.

Un l�ser es un dispositivo que emite radiaci�n inducida o estimulada. Las fuentes convencionales de luz que nos son familiares, por ejemplo, un foco el�ctrico, emiten radiaci�n espont�nea. En consecuencia, la intensidad de la luz emitida por un l�ser es much�simo mayor que la emitida por fuentes convencionales.

En la figura 57 se muestra un esquema de un l�ser. El tubo contiene la sustancia que va a producir la emisi�n estimulada de luz. Esta se escoge de manera que sus niveles de energ�a proporcionen radiaci�n en la frecuencia de inter�s. Por ejemplo, se usan gases como la mezcla de helio-ne�n, de bi�xido de carbono, etc. El bombeo, o sea la inversi�n de la poblaci�n, se logra por medio de una descarga de radiofrecuencia, proporcionada por el excitador externo.

 

Figura 57. Esquema de un l�ser.

Un problema que hay es que aunque los fotones que salen de los diversos �tomos tienen la misma frecuencia, no se emiten todos precisamente en el mismo instante y por tanto tienen una peque�a diferencia de fase; esto hace que al interferir reduzcan la intensidad y no se obtenga su m�ximo valor.

Para lograr fotones con la misma fase se hace lo siguiente. En cada extremo del tubo se coloca un espejo. Si hay dos fotones que tengan una diferencia de fase no nula, cuando interfieren dan lugar a una radiaci�n de intensidad menor. A medida que se van reflejando, esta radiaci�n va interfiriendo con otra, tambi�n desfasada, hasta que despu�s de cierto tiempo su intensidad es pr�cticamente nula. As� quedan s�lo aquellos fotones que est�n precisamente en fase.

Una vez que los �tomos empiezan a emitir por inducci�n, la intensidad de la radiaci�n aumenta porque �nicamente interfieren fotones que tienen la misma fase. Adem�s, los espejos reflejan la luz de regreso a la muestra con el fin de que la intensidad de radiaci�n presente sea grande y as� aumente la probabilidad de la emisi�n estimulada por otros �tomos excitados en la sustancia. De hecho, este es un mecanismo de retroalimentaci�n. De esta manera, la luz as� generada alcanza intensidades muy altas.

La palabra l�ser es una sigla, en ingl�s, de Light amplification by stimulated emission of radiation, que quiere decir amplificaci�n de luz por emisi�n de radiaci�n estimulada (o inducida).

Otra caracter�stica fundamental del l�ser es que emite luz en forma coherente, lo que tiene como consecuencia que un haz de esta radiaci�n pueda viajar distancias astron�micas formando todo el tiempo el mismo haz, es decir, este tipo de haces no se dispersa. Esta dispersi�n ocurre con haces producidos por fuentes que emiten radiaci�n no coherente, como por ejemplo la que produce una linterna. Veamos qu� significa la coherencia. Cuando se hace pasar una corriente el�ctrica a trav�s de una l�mpara, como por ejemplo la de una linterna, la corriente excita muchos �tomos a diferentes niveles de energ�a, que al decaer espont�neamente a su nivel base emiten fotones de muchas frecuencias. Pero esta radiaci�n es emitida en todas las direcciones. Se puede intentar formar un haz de luz colim�ndola, por ejemplo, poniendo un espejo curvo en la parte posterior de la l�mpara que refleja la luz que le llega y la manda en una direcci�n paralela al eje de la linterna. De esta manera, casi toda la luz producida sale en un haz angosto. Sin embargo, este haz no permanece colimado durante mucho tiempo. Esto se debe a que la luz est� compuesta de ondas de muchas frecuencias que al propagarse interfieren y como resultado hay interferencias negativas en la direcci�n de propagaci�n, mientras que ocurre cierta interferencia positiva en otras direcciones. En consecuencia, sin importar qu� tan bien colimado est� inicialmente el haz, se dispersa en diferentes direcciones. Esta dispersi�n hace que la energ�a del haz tambi�n se disperse en diferentes direcciones y por tanto; el objeto que se est� tratando de iluminar recibe menos energ�a de la que se envi�. Una parte de la dispersi�n que experimenta un haz de una linterna se debe a que la luz tiene que pasar por el aire, cuyas mol�culas desv�an el haz; sin embargo, este efecto es relativamente peque�o. Aun si se hiciera en el vac�o, un haz de una linterna se dispersa. Es por este motivo que no es posible que una linterna, por muy potente que sea, colocada en un sat�lite artificial alrededor de la Tierra (y por tanto cuando el efecto de la atm�sfera es despreciable) ilumine un lugar en la superficie de la Luna. La intensidad de luz que llega a este lugar es extraordinariamente peque�a. Otra manera de convencerse de este hecho es que si tocamos una l�mpara encendida nos quemamos, ya que est� emitiendo mucha energ�a; sin embargo, si separamos la mano unos cuantos cent�metros ya no nos quemamos. Lo que ocurre, es que la energ�a emitida por la l�mpara se va dispersando en todas las direcciones y al separar la mano le llega ya muy poca energ�a. Se dice que la radiaci�n emitida por una l�mpara, que es espont�nea, es incoherente.

Por otro lado, como en un l�ser las radiaciones emitidas por los �tomos tienen todas la misma frecuencia, no ocurre la interferencia negativa mencionada en la direcci�n de propagaci�n y tampoco la interferencia positiva en otras direcciones; por lo tanto, con un l�ser no hay dispersi�n. Esta radiaci�n es coherente. Si inicialmente este haz de l�ser se colima permanecer� colimado todo el tiempo y la energ�a emitida llega toda al lugar de inter�s. As�, con un l�ser se ha logrado iluminar desde la Tierra lugares en la Luna.

Por tanto, un l�ser produce radiaci�n de muy alta intensidad que puede ser colimada sin que ocurra dispersi�n. Estas propiedades han permitido utilizar el l�ser de maneras muy provechosas. Debido a que se puede concentrar la energ�a ha servido para cortar diamante (la sustancia m�s dura), soldar metales, etc. Como es posible enfocar la radiaci�n y ajustar la intensidad de un l�ser en forma precisa, ha sido utilizado como bistur� por cirujanos. Adem�s, su frecuencia se puede seleccionar de tal forma que puede destruir ciertos tipos de tejidos sin da�ar otros, lo cual es muy �til para el tratamiento de ciertos tipos de c�ncer. La luz del l�ser puede pasar a trav�s de la pupila del ojo humano sin causar ning�n efecto, por lo que puede usarse para operaciones de retina. Como veremos m�s adelante, una aplicaci�n importante del l�ser es la transmisi�n de se�ales, hecho que ha cambiado dr�sticamente el campo de las comunicaciones.

La idea del l�ser fue propuesta por el f�sico estadounidense Charles H. Townes (1915- ), quien por ello gan� el Premio Nobel de F�sica en 1964. Se interes� en encontrar la manera de construir una fuente de microondas. De hecho, en 1951 se construy� bajo su direcci�n un dispositivo id�ntico al l�ser que hemos descrito, pero en lugar de que emitiera luz visible emit�a ondas electromagn�ticas de mayor longitud de onda. A este dispositivo le llamaron m�ser, sigla de la expresi�n en ingl�s Microwave amplification by stimulated emission of radiation, amplificaci�n de microondas por emisi�n de radiaci�n estimulada. El m�ser fue construido con gas de amoniaco; la radiaci�n as� emitida ten�a una frecuencia extremadamente pura.

No fue sino hasta 1960, con las ideas fundamentales de Arthur Schawlow, que se construyeron l�seres en dos laboratorios, es decir, dispositivos que emit�an luz visible: uno por Theodore H. Maiman en Hughes Aircraft Laboratories con un rub�, y el otro en Bell Labs por Ali Javan, William Bennett y Donald Herriott, los dos en Estados Unidos.