La radiación
láser
María
Josefa Simón Delgado
Licenciada en Física. Investigadora
del Instituto Superior de Ciencias
y Tecnologías Nucleares (ISCTN).
Tel. (537) 631750.
E-mail: mjsimon@fctn.isctn.edu.cu
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Las aplicaciones
de la radiación láser superan cualquier expectativa
y ya constituyen herramientas insustituibles
en las investigaciones científicas, la industria y la medicina.
En
las fuentes de luz que se conocían a principios del siglo xx la
emisión se produce espontáneamente. En 1905, Albert Einstein
habló de la posibilidad de lograr la emisión de la luz de
forma estimulada, pero no es hasta los años sesenta de ese siglo
que se crea el resonador cuántico, o láser. En él,
la emisión de la luz es estimulada y esta resulta coherente. Entre
los pioneros en la construcción de los láseres se encuentran
los soviéticos N. G. Básov y A. M. Prójorov, y el
norteamericano C. Townes, a los que se les otorgó, en 1964, el
Premio Nobel de Física por sus trabajos en esta materia.
La palabra LÁSER es un acrónimo de la expresión inglesa
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (luz amplificada
por emisión estimulada de radiación).
¿Cómo
se produce el láser?
Supongamos que en el interior de una cavidad encerrada entre dos espejos
(un cilindro, por ejemplo), se encuentra el medio activo, que puede ser
uno o más gases, un semiconductor, etc., y se produce la excitación
de los electrones de sus átomos, por fotones, descarga gaseosa,
corriente eléctrica, etc., de determinada energía. Los electrones
excitados pasan a un nivel de energía superior y algunos de ellos
regresan a su estado normal emitiendo fotones de energía equivalente
a la diferencia de energía entre los dos niveles.

Si estos fotones, en su desplazamiento por el medio, se encuentran con
electrones situados en el nivel superior, interactúan ellos haciéndolos
saltar al nivel inferior, emitiendo un fotón que tendrá
la misma energía, dirección y fase que el fotón incidente,
y estos, en su interacción con otros electrones, producen más
fotones de iguales energías que se van desplazando a lo largo de
la cavidad cilíndrica, aumentando así considerablemente
el número de ellos, que viajan con la misma fase y en la misma
dirección (coherentes). Los espejos aumentan el recorrido de los
fotones coherentes, con lo que aumenta aún más su número.
Finalmente, esta radiación sale del resonador por uno de los espejos,
que es semitransparente.
La luz del láser posee todas las propiedades conocidas de la luz
(ver «La energía de la luz», en Energía y
tú, no.17) y además, es coherente; por ello se logran
efectos particulares en su interacción con la materia.
En el artículo mencionado se explica el proceso por el cual se
emite luz espontáneamente. En la emisión estimulada, el
fenómeno es parecido, sólo que estas ondas luminosas resultan
coherentes, viajan en una misma dirección, son extremadamente monocromáticas
y se puede concentrar su energía en el tiempo y en el espacio.
La radiación se puede enfocar en una superficie ínfima,
creando una gran luminosidad.
La potencia de la radiación emitida depende de factores, como son
el diseño del dispositivo, la naturaleza del medio activo empleado,
la forma de excitación de este, etc.
Los láseres son muy variados, desde los de baja potencia, utilizados
como punteros, hasta los de gran potencia, empleados para cortar distintos
tipos de materiales, como los utilizados en cirugía. Su emisión
puede ser de diferentes longitudes de onda en cada caso; de acuerdo con
el medio activo empleado será infrarrojo, visible, ultravioleta
o de rayos X. Por ejemplo, la luz de los láseres de helio-neón
es roja, de 632,8 nanómetros de longitud de onda.
Tipos
de láseres
Láseres de estado sólido
Los medios más comunes en los láseres de estado sólido
son varillas de cristal de rubí, o vidrios, y cristales con impurezas
de neodimio. Los extremos de la varilla se tallan de forma tal que sus
superficies sean paralelas y se recubren con una capa reflectante no metálica.
Los láseres de estado sólido proporcionan las emisiones
de mayor energía. Normalmente funcionan por pulsos, generando un
destello de luz durante un tiempo breve. Se han logrado pulsos de sólo
1,2 × 10-14 s, útiles
para estudiar fenómenos físicos de duración muy corta.
El bombeo se realiza mediante luz de tubos de destello de xenón,
lámparas de arco o lámparas de vapor metálico. La
gama de frecuencias se ha ampliado desde el infrarrojo (IR) hasta el ultravioleta
(UV) al multiplicar la frecuencia original del láser con cristales
de dihidrogenofosfato de potasio. También se han obtenido longitudes
de onda más cortas, correspondientes a los ra-yos X, mediante
otros procedimientos.


Aplicación del láser en la vida cotidiana.
Láseres
gaseosos
El medio de un láser de gas puede ser un gas puro, una mezcla de
gases o incluso un vapor metálico, y suele estar contenido en un
tubo cilíndrico de vidrio o cuarzo. En el exterior de los extremos
del tubo se sitúan dos espejos para formar la cavidad del láser.
Los láseres de gas son bombeados por luz ultravioleta, hacesde
electrones, corrientes eléctricas o reacciones químicas.
El láser de helio-neón resalta por su elevada estabilidad
de frecuencia, pureza de color y mínima dispersión del haz.
Los láseres de dióxido de carbono son muy eficientes, y
son los láseres de onda continua (Continous Waves, CW) más
potentes.

Aplicación del láser en las investigaciones científicas.
Láseres
semiconductores
Los láseres semiconductores son los más compactos, y suelen
estar formados por una unión entre capas de semiconductores con
diferentes propiedades de conducción eléctrica, formando
un diodo. La cavidad del láser se mantiene confinada en la zona
de la unión mediante dos límites reflectantes. El arseniuro
de galio es el semiconductor más usado. Los láseres semiconductores
se bombean mediante la aplicación directa de corriente eléctrica
a la unión, y pueden funcionar en modo CW con una eficiencia superior
a 50 %. Se ha diseñado un método que permite un uso
de la energía aún más eficiente. Implica el montaje
vertical de láseres minúsculos, con una densidad superior
al millón por centímetro cuadrado. Entre los usos más
comunes de los láseres semiconductores están los reproductores
de discos compactos y las impresoras láser.

Aplicación del láseren las comunicaciones.
Láseres
líquidos
Los medios más comunes en los láseres líquidos son
tintes inorgánicos contenidos en recipientes de vidrio. A estos
láseres se les llama láseres de colorantes. Se bombean con
lámparas de destello intensas (cuando operan por pulsos) o por
un láser de gas (cuando funcionan en modo CW). La frecuencia de
un láser de colorante puede modificarse mediante un prisma situado
en la cavidad del láser.

Aplicación del láser
en la industria.
Láseres
de electrones libres
En 1977, se desarrollaron por primera vez láseres que emplean para
producir radiación haces de electrones, no ligados a átomos,
que circulan a lo largo de un campo magnético variable. Actualmente,
están adquiriendo importancia como instrumentos de investigación.
Su frecuencia se puede regular, como ocurre con los láseres de
colorante, y en teoría, un pequeño número podría
cubrir todo el espectro, desde el infrarrojo hasta los rayos X. Con
los láseres de electrones libres debería generarse radiación
de muy alta potencia, que actualmente resulta demasiado costosa de producir.
Aplicaciones
del láser
Las propiedades de la luz que se produce por emisión estimulada
hacen que el uso del láser sea casi ilimitado. Se ha convertido
en una herramienta muy valiosa que encuentra cada día nuevas aplicaciones
en diferentes campos de la ciencia, la técnica y el arte. Mencionaremos
algunas de ellas.
Industria
Es posible enfocar sobre un punto pequeño un haz de láser
potente, con lo que se logra una enorme densidad de energía. Los
haces enfocados pueden calentar, fundir o vaporizar materiales de forma
precisa. Por ejemplo, los láseres se usan para taladrar diamantes,
modelar máquinas herramientas, recortar componentes micro-electrónicos,
calentar chips semiconductores, cortar patrones de moda, sintetizar nuevos
materiales o intentar inducir la fusión nuclear controlada. El
potente y breve pulso producido por un láser también permite
obtener fotografías de alta velocidad, con un tiempo de exposición
de algunas billonésimas de segundo. En la construcción de
carreteras y edificios se utilizan láseres para alinear las estructuras.
Investigación científica
Los láseres se emplean para detectar los movimientos de la corteza
terrestre y para efectuar medidas geodésicas. Son los detectores
más eficaces de ciertos tipos de contaminación atmosférica.
Con ellos se ha determinado la distancia entre la Tierra y la Luna con
una elevada precisión. Se utilizan en investigaciones cósmicas
y en experimentos de relatividad. Actualmente se desarrollan conmutadores
muy rápidos activados por láser para su uso en aceleradores
de partículas, y se han diseñado técnicas que emplean
haces de láser para atrapar un número reducido de átomos
en el vacío, con el objetivo de estudiar sus espectros. Con su
ayuda los científicos han conseguido estudiar las estructuras moleculares.
Los láseres permiten determinar la velocidad de la luz con una
precisión sin precedentes. También inducen reacciones químicas
de forma selectiva y detectan la existencia de trazas de sustancias en
una muestra.
Comunicaciones
La luz de un láser puede viajar largas distancias por el espacio
exterior con una pequeña reducción de la intensidad de la
señal. Debido a su alta frecuencia, la luz láser puede transportar,
por ejemplo, mil veces más canales de televisión de lo que
transportan las microondas. Por ello, los láseres resultan ideales
para las comunicaciones espaciales. Se han desarrollado fibras ópticas
de baja pérdida que transmiten luz láser para la comunicación
terrestre, en sistemas telefónicos y redes de computadoras. También
se han empleado técnicas láser para registrar información
con una densidad muy alta. Por ejemplo, el registro de un holograma, a
partir del cual puede reconstruirse una imagen tridimensional.
Tecnología militar
Los sistemas de guiado por láser para misiles, aviones y satélites
son muy comunes. La capacidad de los láseres de colorante sintonizables
para excitar de forma selectiva un átomo o molécula puede
llevar a métodos más eficientes para la separación
de isótopos en la fabricación de armas nucleares.
Medicina
Con haces intensos y estrechos de luz láser es posible cortar
y cauterizar ciertos tejidos en una fracción de segundo, sin
dañar al tejido sano circundante. El láser se ha empleado
para soldar la retina, perforar el cráneo, reparar lesiones
y cauterizar vasos sanguíneos. También se han desarrollado
técnicas láser para realizar pruebas de laboratorio
en muestras biológicas pequeñas. Es empleado en fisioterapia
y láserpuntura, sustituyendo a las agujas de acupuntura. |
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Aplicación del láser en la medicina. |
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