II. L�SERES DE ALTA POTENCIA

INTERACCI�N �TOMO-FOT�N

El romance entre la radiaci�n y la materia

LA FIGURA II.1 muestra esquem�ticamente la estructura b�sica de un �tomo de acuerdo con el modelo de Bohr. Podemos ver que �ste consta esencialmente de un n�cleo alrededor del cual giran electrones en determinadas �rbitas. Como vimos en el cap�tulo anterior, el modelo de Bohr mostr� que un electr�n no se puede encontrar en cualquier �rbita alrededor de un n�cleo, sino s�lo alrededor de determinadas �rbitas estables y que los intercambios de energ�a son cuantizados. Adem�s de esto, la energ�a de un electr�n en una �rbita se incrementa entre mayor sea la �rbita en que se encuentra. De este modo, en la figura II.2 se muestra la energ�a correspondiente a cada una de las �rbitas mostradas en la figura II.1. Podemos notar que la �rbita de menor energ�a es la primera �rbita; cuando el �tomo se encuentra en esta situaci�n decimos que se encuentra en su estado base o estado de menor energ�a. Debido a la diferencia de energ�a entre cada �rbita tenemos que, para pasar de una �rbita inferior a una superior (por ejemplo, de la segunda a la tercera �rbita), se debe recibir un cuanto de energ�a, es decir, una cantidad de energ�a exactamente igual a la diferencia de energ�a entre esas dos �rbitas; mientras que si se pasa de una �rbita superior a una inferior (por ejemplo, de la cuarta a la tercera �rbita), el �tomo debe emitir un cuanto de energ�a. Por otra parte, tambi�n podemos apreciar en la figura II.1 que hay un l�mite superior a la energ�a que un electr�n puede adquirir. Pasando ese l�mite ya no hay �rbitas superiores que sobrepasar y entonces el electr�n queda libre, dejando un �tomo ionizado, es decir, un �tomo que ha perdido uno o varios de sus electrones.

Figura II. 1.

Figura II. 2.

El considerar los procesos de interacci�n entre radiaci�n electromagn�tica y materia en su más peque�a escala se reduce a estudiar la interacci�n entre cuantos de energ�a y �tomos. Estos cuantos de energ�a tambi�n se conocen como fotones. Por simplicidad consideraremos �tomos con s�lo dos niveles de energ�a: uno inferior de energ�a E₁ y uno superior de energ�a E₂.

La figura II.3 muestra el proceso de absorci�n en el cual un fot�n incide en un �tomo que inicialmente se encuentra en su estado base o no excitado. En este caso, y suponiendo que la energ�a del fot�n sea id�ntica a la diferencia de energ�a entre los dos niveles del �tomo (lo cual siempre supondremos), tenemos como resultado que �ste absorbe la energ�a del fot�n incidente, pasando por tanto de su estado base a su estado excitado de mayor energ�a.

Figura II. 3.

La figura II.4 muestra el proceso de emisi�n. En este caso un �tomo inicialmente excitado de manera espont�nea pasa a un estado de menor energ�a, emitiendo en el proceso un fot�n con energ�a igual a la diferencia de energ�a entre los dos niveles. El fot�n se emite en una direcci�n totalmente arbitraria.

Figura II.4.

La figura II.5 muestra el proceso de emisi�n estimulada, cuya existencia fue propuesta por Albert Einstein en 1917, y es el proceso fundamental gracias al cual existe el l�ser. En este proceso se tiene la interacci�n entre un fot�n y un �tomo que inicialmente se encuentra en un estado excitado. Como resultado de esta interacci�n el �tomo pasa a su estado base, emitiendo en el proceso un fot�n que tiene las mismas caracter�sticas de direcci�n y de fase que el fot�n inicial. Cuando esto �ltimo ocurre decimos que la radiaci�n electromagn�tica resultante es coherente. Es importante notar que en este proceso est� ocurriendo realmente un proceso de amplificaci�n de fotones, pues inicialmente tenemos s�lo un fot�n y despu�s del proceso de emisi�n estimulada tenemos como resultado dos fotones. Podemos afirmar que el germen que dio origen al desarrollo del l�ser surgi� cuando el fen�meno de emisi�n estimulada fue propuesto. De hecho la palabra l�ser es el acr�nimo de la expresi�n en ingl�s: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, que en espa�ol podemos traducir como "amplificaci�n de la luz por la emisi�n estimulada de radiaci�n".

Figura II. 5.

ABSORCI�N Y AMPLIFICACI�N �PTICA

De la creaci�n y aniquilaci�n de fotones

Debemos ahora considerar la interacci�n no entre un �tomo y un fot�n, sino entre una gran cantidad de fotones y un gran n�mero de �tomos desde una perspectiva m�s real. La figura II.6 muestra una cavidad en la que se encuentran N �tomos de los cuales una cantidad N₂ son �tomos que est�n en su estado excitado y N₁ son �tomos que se encuentran en su estado base o no excitado. Al propagarse un flujo S de fotones a trav�s de la cavidad y entrar en interacci�n con �tomos que est�n excitados, ocurrir� el proceso de emisi�n estimulada. Como hemos visto, este proceso traer� como consecuencia la amplificaci�n del flujo inicial de fotones S. Esto se debe a que, como ya sabemos, cada fot�n de flujo incidente que interact�e con un �tomo inicialmente excitado dar� origen, por medio del proceso de emisi�n estimulada, a la emisi�n de un segundo fot�n junto con la transici�n del �tomo del estado excitado al estado base o no excitado. Sin embargo, debido a que en dicha cavidad tambi�n hay �tomos que se encuentran en su estado base, al interactuar el flujo de fotones con estos �tomos ocurrir� el proceso de absorci�n de fotones y ocasionar� una disminuci�n del flujo inicial S de fotones. Esto se debe a que cada fot�n que interact�e inicialmente con un �tomo en su estado base, ser� absorbido por dicho �tomo y �ste pasar� a un estado excitado.

En la pr�ctica debemos considerar simult�neamente los procesos de emisi�n y de absorci�n. El primero tiende a amplificar el flujo incidente dependiendo de la cantidad de �tomos que se encuentren en el nivel superior N₂, mientras que el segundo tiende a disminuir el flujo incidente dependiendo de la cantidad de �tomos que se encuentren en el nivel base N₁. Al considerar de manera simult�nea los dos procesos, el resultado final depende de la cantidad de �tomos que se encuentran tanto en el estado excitado como en el estado base. Si estas cantidades son iguales; tendremos entonces que, en promedio, la amplificaci�n y la absorci�n que sufre el pulso inicial son iguales, y por tanto el flujo final no ser� ni mayor ni menor que el flujo de fotones inicialmente incidente. Esto es, si

N₂ = N₁,

el cambio neto del flujo de fotones es cero, es decir, la cantidad de fotones que sale de la cavidad cil�ndrica mostrada en la figura II.6 es la misma que la que entr�.

Figura II. 6.

Por otra parte, si el n�mero de �tomos excitados N₂ que hay en la cavidad es menor que el n�mero de �tomos en su estado base N₁, el resultado promedio total ser� de una reducci�n del flujo inicial de fotones. Esto es, si

N₂ < N₁,

el flujo inicial de fotones ser� absorbido. Ello implica que a lo largo de su propagaci�n por la cavidad cil�ndrica mostrada en la figura II.6, el flujo inicial de fotones disminuye como se muestra en la figura II.7.

Figura II. 7.

Finalmente, si el n�mero de �tomos excitados N₂ que hay en la cavidad es mayor que el n�mero de �tomos en estado base N₁, el resultado promedio total ser� de un incremento al flujo inicial de fotones. Es decir, si

N₂ > N₁,

el flujo inicial de fotones se incrementar� a lo largo de su propagaci�n por la cavidad cil�ndrica mostrada en la figura II.6. El flujo de fotones es entonces ampliado por el medio, como se muestra en la figura II.8.

Figura II. 8.

AMPLIFICADORES �PTICOS

La reproducci�n fot�nica

Con lo antes mencionado podemos ahora comprender la operaci�n de un amplificador �ptico, tambi�n conocido como amplificador l�ser. Este es un sistema que proporciona a la salida un flujo final de fotones S_f mayor que el flujo inicial S_i. Dichos amplificadores �pticos generalmente tienen un aspecto similar al mostrado en la figura II.6, es decir, cil�ndrico. Por un extremo entra un flujo inicial de fotones y por otro sale el flujo final de fotones amplificado.

Como vimos en la secci�n anterior, la condici�n necesaria para tener amplificaci�n del flujo inicial de fotones S₁, es que el n�mero de �tomos excitados N₂ que se encuentra en la cavidad amplificadora sea mayor que el n�mero de �tomos que se encuentra en su estado base N₁. La condici�n anterior se conoce como inversi�n de poblaci�n y el problema central para la realizaci�n pr�ctica de un amplificador �ptico est� en c�mo lograrla. Es decir, el problema es conseguir que la mayor�a de los �tomos que se encuentra en la cavidad amplificadora pase de su estado base, que es el estado normal en que cualquier �tomo se encuentra cuando no es perturbado, a un estado excitado.

Para lograr dicha inversi�n de poblaci�n es necesario alg�n dispositivo que proporcione la energ�a que los �tomos de la cavidad amplificadora requieren para pasar de su estado base a un estado excitado. Este dispositivo recibe el nombre de sistema de bombeo y puede ser de varios tipos, aunque los m�s usuales son de tipo �ptico o de tipo el�ctrico.

Lo que se tiene en el caso de un sistema de bombeo de tipo �ptico es la cavidad amplificadora circundada por una o varias l�mparas luminosas de destello flash muy potentes. Al ser disparadas dichas l�mparas, los fotones que emiten son absorbidos por los �tomos de la cavidad amplificadora, los cuales pasan de su estado base a un estado excitado. Con ello se logra la inversi�n de poblaci�n. La figura II.9 muestra la secci�n transversal de dos posibles arreglos para colocar las l�mparas flash en un amplificador bombeado �pticamente.

Figura II. 9.

En un sistema de bombeo de tipo el�ctrico se produce una intensa descarga el�ctrica en los �tomos que se encuentran en la cavidad amplificadora. De este modo, los energ�ticos electrones de la descarga transfieren parte de su energ�a por colisiones electr�n-�tomo a los �tomos contenidos en la cavidad, logrando que �stos pasen de su estado base a uno excitado. As� se da la inversi�n de poblaci�n. La figura II.10 muestra la secci�n transversal de un amplificador �ptico bombeado el�ctricamente, usando un ca��n de electrones.

Figura II. 10.

Para amplificar un pulso de luz usando un amplificador �ptico dotado de un sistema de bombeo �ptico o el�ctrico, se sincroniza el paso del pulso de luz con el disparo del sistema de bombeo. Es importante que estos dos hechos est�n perfectamente sincronizados, pues si el sistema de bombeo se dispara antes o despu�s de que llegue el pulso de luz al amplificador, este pulso no ser� amplificado. La figura II.11 muestra la simulaci�n computacional de la amplificaci�n de un pulso de luz que pasa a trav�s de un amplificador �ptico. Pueden observarse el pulso inicial y el pulso final amplificado.

Figura II. 11.

OSCILADOR �PTICO

El creador del rayo l�ser

Despu�s de haber expuesto el principio b�sico de operaci�n de un amplificador �ptico, podemos comprender f�cilmente el principio de funcionamiento de un oscilador �ptico, tambi�n conocido como oscilador l�ser, o sencillamente l�ser.

Consideremos una cavidad amplificadora con un sistema de bombeo (representado por las flechas perpendiculares en la figura II.12), a la cual hemos colocado en sus extremos un par de espejos planos (o ligeramente c�ncavos) tal como ah� se muestra, donde la l�nea punteada indica el eje �ptico del sistema. Este par de espejos paralelos recibe el nombre de resonador �ptico. Uno de los espejos del resonador es casi 100% reflejante, y el otro tiene una reflectancia que es de manera caracter�stica de alrededor de 90 por ciento.

Figura II. 12.

Para comprender qu� funci�n tiene el resonador �ptico nos remitiremos a la figura II.13, la cual muestra al oscilador �ptico inmediatamente despu�s de que el sistema de bombeo fue disparado. Cualquier fot�n que sea emitido en una direcci�n diferente de la definida por el eje �ptico del resonador �ptico se perder�, mientras que cualquier fot�n emitido a lo largo del eje �ptico del oscilador ser� amplificado por el proceso de emisi�n estimulada. Inmediatamente se generar� un enorme flujo de fotones confinados por el resonador �ptico, que se propagar�n a lo largo del eje �ptico. Si el resonador �ptico no estuviera all�, despu�s de disparar el sistema de bombeo los �tomos que fueron excitados pasar�an a su estado base debido al proceso de emisi�n espont�nea, emitiendo fotones en todas direcciones y perdiendo la energ�a recibida por el sistema de bombeo.

Figura II. 13.

La presencia del resonador �ptico nos permite extraer de modo eficiente la energ�a que el sistema de bombeo ha depositado en los �tomos contenidos en la cavidad amplificadora. Debido a que uno de los espejos del resonador tiene reflectancia de 90%, el 10% de los fotones que incide all� ser� trasmitido fuera del resonador �ptico, formando un haz de luz muy intenso, que adem�s es monocrom�tico (formado por fotones de id�ntica energ�a), coherente (pues todos sus fotones est�n en fase, ya que fueron producidos por el proceso de emisi�n estimulada) y altamente direccional. Estas son las propiedades fundamentales de la luz l�ser que es generada por todo oscilador �ptico.

PRODUCCI�N DE PULSOS L�SER ULTRACORTOS

Los fotones trabajando juntos

Como hemos visto, al excitar por medio de un pulso �ptico o el�ctrico el medio activo en un resonador �ptico, podemos producir un pulso l�ser. La duraci�n de este pulso es, en general, similar a la del pulso de excitaci�n y caracter�sticamente es entre 500 y 1 000 microsegundos. Para muchas aplicaciones pr�cticas, como la fusi�n nuclear v�a l�ser, o para la soldadura o el corte de placas de acero, la duraci�n de tales pulsos es muy grande y su intensidad demasiado peque�a. Debido a esto se han dise�ado varias t�cnicas que permiten obtener pulsos l�ser de muy corta duraci�n y de muy alta intensidad. Una de las t�cnicas m�s empleadas para producir pulsos ultracortos de alta intensidad se conoce como conmutaci�n de Q.

En todo sistema f�sico que presente oscilaciones, desde un columpio hasta un l�ser, se define una cantidad llamada factor de calidad, que se denota por la letra Q. Si el valor de Q en un l�ser es peque�o implica que en la cavidad l�ser se tienen muchas p�rdidas �pticas, mientras que si el valor de Q es grande implica que casi no hay p�rdidas en la cavidad.

La figura II.14 muestra un oscilador �ptico con altas p�rdidas, es decir, con un bajo valor de Q. Las p�rdidas en este caso son producidas al introducir un "objeto extra�o" en el interior del resonador �ptico que impide que el sistema entre en oscilaci�n y que el proceso de amplificaci�n estimulada pueda ser eficiente. Por otra parte, la figura II.13 muestra un oscilador �ptico con bajas p�rdidas y por tanto con un alto valor de Q. En este �ltimo caso no hay nada que impida la oscilaci�n �ptica del sistema.

Figura II. 14.

Es posible construir un oscilador �ptico que contenga en el interior de su resonador un interruptor �ptico que nos permita variar a voluntad el valor Q de la cavidad. Esto se muestra en la figura II.15. Si el interruptor est� encendido, el flujo de fotones puede pasar a trav�s de �l y esto nos da un alto valor de Q. Por otro lado, si el interruptor est� apagado, el flujo de fotones no puede atravesarlo y tenemos entonces un bajo valor de Q.

Figura II. 15.

Si el interruptor �ptico est� apagado (o sea, un bajo valor de Q) y simult�neamente se dispara el sistema de bombeo, el sistema no puede entrar en oscilaci�n l�ser y por lo tanto no puede perder energ�a emitiendo radiaci�n l�ser hacia el exterior. Por tanto, toda la energ�a depositada por el sistema de bombeo ser� asimilada por los �tomos contenidos en la cavidad amplificadora. As�, casi todos los �tomos pasar�n a su estado excitado y muy pocos permanecer�n en su estado base. Por tanto, el nivel de inversi�n de poblaci�n que se define como la diferencia N₂ — N₁, alcanzar� un valor muy grande. Si en este momento —en el que tenemos un muy alto valor de inversi�n de poblaci�n—, repentinamente encendemos el interruptor �ptico (obteni�ndose as� un alto valor de Q) el sistema entrar� violentamente en oscilaci�n y muy pronto se generar� un corto e intenso pulso de luz l�ser. Esto se muestra en la figura II.16. All� podemos ver el bajo valor inicial de Q. El disparo del sistema de bombeo se inicia produciendo un incremento en el valor del nivel de inversi�n de poblaci�n. En el instante t_i en que se acciona el interruptor �ptico y se tiene un alto valor de Q, el nivel de inversi�n de poblaci�n r�pidamente decrece, produci�ndose un corto e intenso pulso de luz l�ser. Algunos valores caracter�sticos de duraci�n y potencia de pulsos l�ser generados mediante esta t�cnica son del orden de 10 x 10^-9 segundos de duraci�n y entre 1 x 10⁶ y 1 x 10⁸ watts de potencia. Sin embargo, existen sistemas l�ser para lograr la fusi�n nuclear que pueden alcanzar potencias de hasta 20 x 10¹² watts (�20 giga watts!) en pulsos de 1 nanosegundo (1 x 10^-9 segundos).

Figura II. 16.

L�SERES PARA FUSI�N

La llave de la fusi�n

Para realizar investigaci�n sobre fusi�n v�a l�ser se han construido varios l�seres en el mundo. El cuadro II.1 muestra algunos de los m�s importantes as� como sus par�metros t�cnicos. Dentro de las caracter�sticas m�s importantes en la elecci�n de un l�ser para este tipo de aplicaciones destacan la duraci�n de los pulsos l�ser producidos, su energ�a, la longitud de onda de operaci�n (el color de la luz emitida) y el n�mero de haces l�ser disponibles para ser sim�tricamente focalizados en el blanco (que son las microesferas con mezcla de deuterio y tritio). Cada una de estas caracter�sticas es importante para mejorar diferentes aspectos del proceso de fusi�n; esto lo veremos con m�s detalle en el pr�ximo cap�tulo. Sin embargo, por el momento podemos adelantar que la longitud de onda l del l�ser es una de las m�s importantes. De hecho, para lograr el proceso de fusi�n, entre m�s corta sea l mejor.

CUADRO II. 1.
País	Láser	Laboratorio	Energía/duración de pulso	Haces láser	Longitud de onda mm
EUA	Nova	Livermore	70 KJ/2.5 nseg.	10	0.35
	Omega	Rochester	3 KJ/1 nseg.	24	0.35
	Chroma	Kms fusión	0.7 KJ/1 nseg.	2	0.53
Japón	Gekko XII	Osaka	15 KJ/1 nseg.	12	0.53
Francia	Luli	Ecole Poly	0.7 KJ/0.6 nseg.	6	1.06
		Palaiseau	0.2 KJ/0.5 nseg.		0.25
Gran Bretaña	Vulcan Helen	Rutherford Aldermaston	3 KJ/1 nseg. 1.3 KJ/0.2 nseg.	12 3	0.53
Rusia	Delfin	Lebedev	3 KJ/1 nseg.	108	1.06
China	Shenguan	Shanghai	2 KJ/1 nseg.	2	1.06
Italia	—	Frascati	0.2 KJ/3 nseg.	2	1.06

La siguiente lista muestra algunos l�seres pulsados de alta energ�a y potencia as� como sus longitudes de onda caracter�sticos de operaci�n:

Láser de CO2	10.6 mm
Láser de CF3I	1.31 mm
Láser de neodimio	1.06 mm (o 0.35 mm)
Láser de rubí	0.69 mm
Láser de KrF	0.24 mm

Por razones t�cnicas y econ�micas casi todos los sistemas l�ser construidos en el mundo para aplicaci�n en fusi�n por l�ser son de neodimio. Los sistemas l�ser de bi�xido de carbono (CO₂), a pesar de su alta eficiencia (mayor a 15%), pr�cticamente no se utilizan debido a su larga longitud de onda de emisi�n; los l�seres de rub� tampoco se usan debido a que resultan demasiado caros, pues el rub� es un cristal muy costoso de producir. Los �nicos competidores actuales de los l�seres de neodimio son los de CF₃I y los de KrF; sin embargo, los problemas t�cnicos de construcci�n y operaci�n de estos l�seres (que, por ejemplo, requieren del manejo de sustancias altamente corrosivas) son mayores que los del neodimio.

La figura II.17 muestra el diagrama simplificado del l�ser Vulcan del laboratorio Rutherford Appleton en Didcot, Inglaterra. Ah� se tiene el m�s importante sistema l�ser de Europa para investigaci�n en fusi�n. La mesa del oscilador contiene un l�ser cuya funci�n es proporcionar pulsos con perfiles temporal y espacial determinados. Los pulsos l�ser ah� obtenidos son de baja intensidad y es necesario amplificarlos. Esto se hace pasando cada pulso a trav�s de una serie de amplificadores, denotados como A16, A25, A32 y A45. Estos amplificadores son barras de neodimio de 16, 25, 32 y 45 mil�metros de di�metro. En esta misma figura podemos identificar aisladores �pticos, que operan variando la polarizaci�n de los pulsos l�ser, denotados como WP y FR, e interruptores �pticos como PC. Para corregir defectos y optimizar el perfil de intensidad transversal de los pulsos l�ser producidos se usan filtros que se denotan como AP y VSF. Finalmente, como DA se encuentra un conjunto de amplificadores de disco de 108 y 150 mm de di�metro. Estos amplificadores de disco son amplificadores l�ser que no consisten en barras s�lidas de neodimio sino de discos de neodimio con dos a tres cent�metros de espesor. Separados entre s�, cuatro o seis de estos "discos" (que de hecho son en forma el�ptica), se colocan en cada tubo amplificador. Este dise�o de amplificador tiene la ventaja de que su enfriamiento despu�s de cada disparo l�ser es m�s r�pido y eficiente de lo que ser�a usando una barra s�lida de neodimio de igual di�metro.

Figura II. 17.

Ahora que en el primer cap�tulo ya hemos descrito lo que es la fusi�n nuclear, mientras que en �ste vimos el tipo de l�seres que utilizan en la investigaci�n de fusi�n por l�ser, en el siguiente cap�tulo veremos cu�l es el efecto de focalizar estos intensos pulsos l�ser en la materia para as� producir fusi�n nuclear.