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| Luz láser guiada por una lente. (Chris Rogers/Getty Images) |
Los láseres son dispositivos que producen intensos haces de luz que pueden utilizarse para muchos fines, como el corte, la soldadura, la cirugía, la comunicación y el entretenimiento. Pero, ¿cómo funcionan los láseres y quién los inventó? En este artículo, exploraremos la historia, los principios, las aplicaciones y los tipos de láser.
Historia del láser - La palabra láser es un acrónimo de "amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación". Esto significa que un láser utiliza un proceso llamado emisión estimulada para amplificar la luz. La emisión estimulada fue predicha por Albert Einstein en 1917, pero el primer láser tardó más de cuatro décadas en construirse.
El primer dispositivo que utilizó la emisión estimulada no fue un láser, sino un máser, que significa "amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación". Un máser produce microondas, que son un tipo de radiación electromagnética con longitudes de onda más largas que la luz visible. El primer máser fue construido en 1953 por Charles H. Townes y sus colegas de la Universidad de Columbia. Townes compartió más tarde el Premio Nobel de Física de 1964 con Nikolay Basov y Alexander Prokhorov, que desarrollaron independientemente la teoría de los máseres en la Unión Soviética.
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| Charles Townes y sus colegas fueron los primeros en construir un "máser", que funcionaba en la gama de frecuencias de microondas. Fue el precursor del láser. |
Townes y sus colaboradores también se dieron cuenta de que el mismo principio de emisión estimulada podía aplicarse para producir luz visible o infrarroja, y acuñaron el término "máser óptico" para referirse a tales dispositivos. Sin embargo, el término "láser" fue popularizado más tarde por Gordon Gould, un estudiante de posgrado que afirmó haber inventado el láser en 1957, pero no publicó su trabajo hasta 1959. El primer láser operativo fue demostrado en 1960 por Theodore Maiman en los Laboratorios de Investigación Hughes, utilizando un cristal de rubí como medio. El láser de Maiman producía pulsos de luz roja que duraban sólo unos milisegundos.
Desde entonces, se han desarrollado muchos tipos diferentes de láser, utilizando diversos materiales y técnicas para producir luz de distintas longitudes de onda, potencias y duraciones. Algunos de los inventores y pioneros más destacados de la tecnología láser son Arthur L. Schawlow, coautor del primer artículo teórico sobre láseres con Townes en 1958 y Premio Nobel de Física en 1981 por sus contribuciones a la espectroscopia láser; Robert N. Hall, que inventó el primer láser semiconductor en 1962; Ali Javan, que inventó el primer láser de gas en 1960; y Nicolaas Bloembergen, que inventó el primer láser de estado sólido en 1961 y compartió el Premio Nobel de Física de 1981 con Schawlow.
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| El reloj atómico de gas cuántico tridimensional (3-D) del JILA consiste en una rejilla de luz formada por tres pares de rayos láser. Se utiliza una pila de dos mesas para configurar los componentes ópticos alrededor de una cámara de vacío. Aquí se muestra la mesa superior, donde se montan las lentes y otros componentes ópticos. Un rayo láser azul excita una nube cúbica de átomos de estroncio situada detrás de la ventana redonda del centro de la mesa. Los átomos de estroncio presentan una fuerte fluorescencia cuando se excitan con luz azul, creando el espectáculo que se ve aquí. (Crédito: G.E. Marti/JILA) |
Principios del láser - Un láser consta de tres componentes principales: un medio, una bomba y un resonador. El medio es el material que produce la luz y puede ser un gas, un líquido, un sólido o un semiconductor. La bomba es la fuente de energía que excita los átomos o moléculas del medio y puede ser una corriente eléctrica, un destello de luz, una reacción química o una reacción nuclear. El resonador es la estructura que refleja la luz en el medio y suele estar formado por dos espejos, uno de los cuales es parcialmente transparente.
El proceso básico del funcionamiento del láser es el siguiente:
- La bomba suministra energía al medio, provocando que algunos de los átomos o moléculas del medio salten a niveles de energía superiores. Esto se denomina inversión de población, porque hay más átomos o moléculas en el estado excitado que en el estado básico.
- Cuando un átomo o molécula en estado excitado encuentra un fotón (una partícula de luz) con la misma energía que la diferencia entre el estado excitado y el estado básico, puede emitir otro fotón con la misma energía, dirección y fase que el fotón original. Esto se denomina emisión estimulada, porque la emisión es estimulada por la presencia del fotón.
- El fotón emitido y el fotón original pueden entonces estimular más emisiones de otros átomos o moléculas del medio, creando una reacción en cadena de amplificación de la luz. Esto se denomina retroalimentación positiva, porque el proceso se refuerza a sí mismo.
- Los fotones van y vienen por el medio, rebotando en los espejos del resonador. Cada vez que atraviesan el medio, estimulan más emisiones, aumentando la intensidad de la luz. Algunos de los fotones escapan a través del espejo parcialmente transparente, formando el rayo láser. El resto de los fotones se reflejan de nuevo en el medio, manteniendo la inversión de población y la emisión estimulada.
Las características del haz láser dependen de las propiedades del medio, la bomba y el resonador. Por ejemplo, la longitud de onda de la luz viene determinada por la diferencia de energía entre el estado excitado y el estado básico del medio, la potencia de la luz viene determinada por la eficiencia de la bomba y las pérdidas en el resonador, y la duración de la luz viene determinada por el modo de funcionamiento del láser, que puede ser continuo o pulsado.
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| Comenzando con un láser de femtosegundos y comprimiendo los pulsos, para después hacerlos pasar a través de un gas noble, se pueden generar pulsos ultravioleta extremo (o XUV) con velocidades de attosegundos. Esto permite a los científicos sondear el comportamiento de electrones individuales dentro de átomos y moléculas, utilizando la técnica de la espectroscopia de attosegundos. El Premio Nobel de Física de 2023 se concedió precisamente por los avances logrados en este campo. Crédito: Centro de Investigación de Attosegundos, Politécnico de Milán |
Aplicaciones del láser - Los láseres tienen muchas aplicaciones en diversos campos, como:
- Industria: Los láseres pueden utilizarse para cortar, soldar, perforar, marcar y grabar materiales como metales, plásticos, cerámica y vidrio. También pueden utilizarse para medir distancias, velocidades y temperaturas, así como para inspeccionar la calidad y alineación de productos.
- Medicina: Los láseres pueden utilizarse para realizar intervenciones quirúrgicas, como la extirpación de tumores, la corrección de la visión y la reparación de tejidos. También pueden utilizarse para diagnosticar enfermedades como el cáncer, la diabetes y las infecciones, analizando la luz reflejada o emitida por los tejidos o fluidos.
- Comunicación: Los láseres pueden utilizarse para transmitir información, como voz, datos e imágenes, a largas distancias, utilizando fibras ópticas o enlaces ópticos de espacio libre. Los láseres también pueden utilizarse para almacenar información, como música, películas y documentos, en discos ópticos como CD, DVD y Blu-ray.
- Ciencia: Los láseres pueden utilizarse para estudiar la estructura y el comportamiento de átomos, moléculas y materiales mediante técnicas como la espectroscopia láser, la microscopia láser y el enfriamiento por láser. Los láseres también pueden utilizarse para manipular y controlar los estados cuánticos de átomos y fotones, creando nuevos fenómenos como los condensados de Bose-Einstein, el entrelazamiento y la superposición.
- Entretenimiento: Los láseres pueden utilizarse para crear deslumbrantes despliegues de luz y color, como espectáculos láser, hologramas y punteros láser. También pueden utilizarse para mejorar el rendimiento y el aspecto de instrumentos musicales como guitarras, violines y pianos.
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| Un juego de punteros láser de la línea Q muestra la diversidad de colores y el tamaño compacto que ahora son habituales en los láseres. Al "bombear" electrones a un estado excitado y estimularlos con un fotón de la longitud de onda deseada, se puede provocar la emisión de otro fotón de exactamente la misma energía y longitud de onda. Así es como se crea la luz de un láser: por emisión estimulada de radiación. Crédito: 彭家杰/Wikimedia Commons |
Tipos de láser - Existen muchos tipos de láser, clasificados por el medio, la bomba, la longitud de onda, la potencia y la duración de la luz que producen. Algunos de los tipos de láser más comunes son:
- Láseres de gas: Estos láseres utilizan un gas, como helio, neón, argón, criptón, xenón, nitrógeno, dióxido de carbono o monóxido de carbono, como medio. El gas suele estar contenido en un tubo de vidrio y la bomba suele ser una descarga eléctrica. Los láseres de gas pueden producir luz de distintas longitudes de onda, desde el ultravioleta hasta el infrarrojo, y pueden funcionar de forma continua o por impulsos. Algunos ejemplos de láseres de gas son el láser de helio-neón, el láser de argón-ión, el láser de dióxido de carbono y el láser de nitrógeno.
- Láseres de estado sólido: Estos láseres utilizan un sólido, como un cristal, un vidrio o una cerámica, como medio. El sólido suele estar dopado con impurezas, como cromo, neodimio, erbio o iterbio, que proporcionan los niveles de energía para la emisión estimulada. La bomba suele ser una lámpara de flash, un láser de diodo u otro láser. Los láseres de estado sólido pueden producir luz de distintas longitudes de onda, desde el ultravioleta hasta el infrarrojo, y pueden funcionar de forma continua o en impulsos. Algunos ejemplos de láseres de estado sólido son los de rubí, Nd:YAG, Ti:zafiro y fibra.
- Láseres semiconductores: Estos láseres utilizan un semiconductor, como el arseniuro de galio, el fosfuro de indio o el silicio, como medio. El semiconductor suele formar una fina capa, denominada pozo cuántico, que proporciona los niveles de energía para la emisión estimulada. La bomba suele ser una corriente eléctrica que fluye a través del semiconductor. Los láseres de semiconductores pueden producir luz de varias longitudes de onda, desde el ultravioleta hasta el infrarrojo, y pueden funcionar de forma continua o en pulsos. Algunos ejemplos de láseres semiconductores son los láseres de diodo, los láseres de cascada cuántica y los láseres de emisión superficial de cavidad vertical.
- Láseres de colorante: Estos láseres utilizan un líquido, como un tinte orgánico, como medio. El líquido suele circular por una célula de vidrio y la bomba suele ser otro láser. Los láseres de colorante pueden producir luz de varias longitudes de onda, desde la ultravioleta hasta la infrarroja, y pueden funcionar de forma continua o en pulsos. Los láseres de colorante son sintonizables, lo que significa que pueden cambiar la longitud de onda de la luz cambiando el colorante o la bomba. Algunos ejemplos de láseres de colorantes son los láseres de rodamina 6G, los láseres de cumarina y los láseres de pirrometeno.
- Láseres de electrones libres: Estos láseres utilizan como medio un haz de electrones acelerados por un acelerador lineal. Los electrones pasan por un campo magnético, llamado ondulador, que los hace oscilar y emitir luz. La bomba suele ser la energía eléctrica que acciona el acelerador. Los láseres de electrones libres pueden producir luz de varias longitudes de onda, desde el ultravioleta hasta los rayos X, y pueden funcionar de forma continua o en impulsos. Los láseres de electrones libres son sintonizables, lo que significa que pueden cambiar la longitud de onda de la luz modificando la energía de los electrones o la intensidad del campo magnético. Algunos ejemplos de láseres de electrones libres son la Fuente de Luz Coherente Linac, el Láser Europeo de Rayos X de Electrones Libres y el FERMI@Elettra.