LASER ¿ Se volvió tan cotidiano que no me pregunto cómo funciona?

Hoy quiero hablarles de un tema que surgió de una clase: les pregunté a mis estudiantes cómo funciona un laser y para mi sorpresa y a pesar que lo usan en casi a diario (cuando escuchan música, cuando pagan y pasan el producto por el lector de código de barras entre otras) no pudieron explicarme como funciona y quizás no tuvieron la curiosidad de averiguar. Para nuestra generación (años 60) los Laser eran fuente de curiosidad e imaginación, por algo eran las armas de los Jedi en Star Wars.

LASER

Neil Armstrong y Edwin Aldrin, tripulantes de la Apolo 11 lograron instalar un reflector el 20 de julio de 1969 después de su alunizaje. El reflector con un tamaño de 45 x 45 centímetros estaba formado por cien prismas de cuarzo triangulares ¿y con qué finalidad? El 1ero de Agosto de 1969 millones de personas seguían a través de sus televisores uno de los experimentos más fascinantes de la historia: se envió un rayo laser de rubí de potencia de 1800000000 vatios instalado en el telescopio de Lick en California, una parte del rayo fue recibido por el reflector y luego devuelto desde la Luna.
Este experimento permitió medir el tiempo que tarda un rayo en ir desde la tierra a la luna, reflejarse y llegar nuevamente a la Tierra. Esto a su vez, conduce a calcular con una exactitud de unos pocos centímetros la distancia de la Tierra a la Luna usando la simple ecuación:

d= c/2t
donde c es la velocidad de la luz y t el tiempo que tardó el pulso de luz en ir y regresar.

Link de la figura de los tripulantes del Apolo 11 en la Luna: Autor: Edwin Aldrin y de acceso libre.

Todo el revuelo causado en la época por un laser y hoy día se usa en infinitas aplicaciones en Medicina, estética, militar, artístico y muchísimas más. (Me causó mucha gracia la cara de asombro de uno de mis estudiantes cuando le hable de la depilación laser).
Pero el laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) tiene un predecesor: el Maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). En ambos casos, un amplificador (circuito electrónico) es capaz de amplificar ondas electromagnéticas en las bandas de ondas larga, media corta y ultracorta, en el Maser en el campo de las microondas y en el laser en el campo de la luz.
Para comprender la base física hay que entender la estructura interna de los átomos y moléculas. Sabemos que un electrón que gira alrededor de un núcleo en un nivel energético determinado puede saltar a niveles superiores siempre y cuando esa nueva orbita no esté saturada (las números cuánticos deben ser diferentes). Si un electrón salta de una órbita n₁ a una órbita más externa n₂, al decaer, emitirá un fotón con una energía relacionada con la diferencia de los números (n₂-n₁). Este fotón puede chocar con un electrón de otro átomo y ser absorbido y excitar un electrón de es átomo a un estado de mayor energía.
A temperatura ambiente los electrones de las capas más externas (llamados de valencia) generalmente se encuentran en su estado básico. Pero por diversas interacciones pueden saltar a estados activados. El tiempo en el cual permanecen los electrones en los estados excitados es del orden de nanosegundos. Pero en algunos casos, hay unos estados llamados metaestables (que explicaré luego) en los que los electrones pueden permanecer un tiempo muchísimo mayor. Ni el Maser, ni el Laser serían posibles si no existiesen los estados metaestables.
El proceso del Maser y del Laser en una sustancia implica que trillones de electrones saltan de un estado metaestable a un estado base de una manera coordinada. En el caso del Laser la luz emitida es coherente (es decir, mantienen una relación entre sus fases y es tanto temporal como espacial) y en el caso del Maser lo que se emite son microondas.
En el primer Maser de amoniaco, construido por Charles Townes en 1954 y el Maser de Rubí colocado en las estaciones receptoras de mensajes por satélites usan el principio: los átomos acoplados entre sí para formar moléculas pueden oscilar y tomar distintas posiciones pero constreñidas a oscilar en determinadas posiciones cuánticas.
El fenómeno de la emisión estimulada con el fin de conseguir amplificadores u osciladores necesita la inversión de poblaciones entre dos (o más) niveles de energía. De esta manera, se obtiene que el sistema se lleva a un estado de desequilibrio termodinámico que tiende a volver a su estado de equilibrio. Veamos algunos medios para lograr esa inversión de población.

1. Selección de átomos o moléculas:
   1.1 Selección por medio del gradiente de un campo eléctrico.
   1.2 Selección por medio del gradiente de un campo magnético
2. Bombardeo:
   2.1 Bombardeo óptico
   2.2 Bombardeo por colisiones.
3. Excitación por disociación de moléculas en el seno de una descarga
4. Fotodesintegración
5. Excitación vibracional en las reacciones químicas.
6. Bombardeo por el paso de corriente en un diodo.

En la figura 1 se esquematiza el proceso de selección de átomos o moléculas.

Figura propia.

En una próxima entrega explicaré cada una de ellos y se profundizará en el concepto de inversión de poblaciones.

Figura propia

El primer Laser construido por Theodore Maiman en 1960 tenía como principio activo era un rubí. Hoy hay laser de sustancias sólidas, líquidas y gaseosas.
Maiman preparó un cristal de rubí cilíndrico de un diámetro de aproximadamente 0.5 cm de diámetro y de 10 cm de longitud. Los dos extremos circulares se pulieron hasta ser paralelos. A continuación, esas superficies fueron transformadas en espejos por vaporización de plata. Una cara reflejaba internamente toda la luz y el otro solo 70%, dejando salir el otro 30% en forma de rayo Laser. Luego el cilindro de rubí se colocó en el eje de un tubo de descargas espiroidal (de 5 vueltas). Al aplicar tensión eléctrica al tubo de descarga, se formaba un destello luminoso que atravesaba el cilindro de rubí liberando un pulso de luz Laser.
Un rubí es un zafiro con impurezas de cromo y son esos átomos de cromo sobre la red cristalina de aluminio y oxigeno lo que constituyen el principio laser activo.

Referencias:

1. Maechtle, W. La física. Círculo de Lectores. 1974.
2. Launois, D. La Electrónica Cuántica. Oikos-tau, S.A. 1970.
3. Kittel, C. Introducción a la Física del Estado Sólido. Editorial REVERTE. 1981.