De la ficción a la realidad: Los Lasers

¡Hola! Mi nombre es Juan Manuel Sánchez, tengo 19 años y estudio Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica. Desde hace mucho me han gustado las matemáticas, ya que se me hacen muy poderosas, interesantes y sobretodo hermosas. Sin embargo, también me gusta mucho la música (toco un poco de piano y guitarra) y la física, siendo los temas de los cuales puedo escribir =). Espero les guste!

Sin duda, el descubrimiento del que les hablaré hoy es uno de los más importantes del siglo 20. Su presencia en el mundo de la medicina, comunicaciones, física, biología, computación, entre muchas otras y hasta su aparición en películas de ciencia ficción, le han dado mucha fama a esta familia de dispositivos cuya base teórica se fundamenta en la mecánica cuántica. Estoy hablando de los laser =)

Probablemente la mayoría de nosotros nos hemos encontrado con un laser, desde uno de esos pequeños laser rojos que sirven para apuntar a la pared o ver las famosas espadas de luz en Star Wars. Si bien esto último no es posible tal cual en la actualidad, muchas de las cosas que se ven en las películas puede ser realidad muy pronto con la mejora de estos dispositivos, como la holografía o incluso la abducción que aparece en películas de extraterrestres (cuando sale una luz y se lleva a la persona o al alien a la nave).

Pero primero lo primero. La palabra laser es un acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation o algo así como Amplificación de luz por emisión estimulada de radiación, y funciona, como su nombre lo indica, gracias al “fenómeno de emisión estimulada”, descubierto por Einstein por allá de 1916. Este proceso se da gracias al cambio en el nivel de energía de un electrón, causando la emisión de un fotón (partícula de cualquier forma de emisión electromagnética), pero expliquemos mejor esto.

Un átomo está formado por electrones, protones y neutrones, estos dos últimos formando el núcleo. Por otro lado, los electrones se encuentran en algo llamado “nube”, pero lo podemos pensar como partículas en orbitas discretas alrededor del núcleo. Dentro de él, cada electrón se encuentra en un estado estable (ground state), pero, si le aplicamos energía (mediante alguna onda electromagnética), éste la “absorberá”, saltando a un nivel de mayor energía o más alejado del núcleo, proceso llamado absorción.

[1] Diagrama de los estados estable y excitado de un electrón

Sin embargo, este nuevo estado es inestable, con lo que el pequeño electrón querrá regresar a su estado estable inicial. Para eso, deberá liberar la energía que absorbió, cosa que hará en forma de un fotón. Pero lo más padre de esta emisión es que este fotón emitido poseerá las mismas características que los fotones que le dieron energía a este electrón al principio del proceso (dirección, frecuencia, periodo, fase, etc), con lo que la luz emitida por un laser es una luz direccional. Además, la respuesta o los fotones emitidos por dos electrones en el mismo estado tendrán la misma longitud de onda, este hecho es muy importante al analizar las características que hacen tan diferente la luz laser de la luz normal.

[2] Emisión de un fotón por un electrón que regresa de un estado excitado a uno estable

Cuando este proceso ocurre de forma correcta (tal como queremos para que funcione nuestro laser), cada vez se generan más fotones, mismos que interaccionan con otros electrones dentro de los átomos, iniciando una reacción en cadena (recuerden esto) y generando gran cantidad de energía que como ya vimos antes, será de una misma longitud de onda, mostrándose un mismo color, con lo que la luz de un laser se dice ser monocromática, además de viajar hacia una misma dirección. Estos factores juntos hacen que las ondas de luz emitidas por un laser no sean destructivas, es decir, que al superponerse, no se cancelen entre sí. Además, cada fotón se mueve de una manera igual y organizada con los demás, haciéndola una luz coherente, cosa que no ocurre con la luz de nuestros focos normales. Aquí podemos notar que la luz de una lámpara se atenúa mucho con respecto a la distancia que tomamos desde ella, mientras que la luz de un laser se mantiene sin mucha perdida de intensidad perceptible en distancias relativamente grandes.

Siguiendo con la teoría, a la cantidad de electrones en un determinado nivel dentro de un átomo se le llama la población de ese nivel. Como podemos pensar, en un átomo bien portado y que no esté siendo excitado de ninguna forma, la población en los niveles estables o de baja energía será mayor que aquella de los niveles más altos, sin embargo, cuando ocurre la reacción en cadena de la que les hablé en el párrafo anterior, la población en los niveles más altos es mayor que la de los niveles bajos (proceso llamado inversión de población), manteniendo nuestro sistema con una mayor energía y cada vez más fotones emitidos, lo cual es algo super super super importante para el buen funcionamiento de un láser.

Ahora que comprendemos un poco mejor el proceso de emisión estimulada podemos adentrarnos en el diseño y funcionamiento real de un laser. En general, en el diseño de un laser debemos tener en cuenta 3 factores muy importantes:

* Fuente de energía.

* Medio.

* Espejos.

La fuente de energía dará la energía que iniciará el proceso de emisión estimulada, causando la inversión de población y generando la energía que queremos para nuestro laser. Pueden usarse muchas cosas dependiendo del tipo de laser que se quiera construir y a potencia del mismo, pero puede ser desde la luz de una lámpara hasta miles de Volts.

En el medio ocurrirá el proceso de emisión estimulada, los átomos del mismo se excitarán con la energía recibida y nos darán los fotones que serán emitidos por nuestro laser. Esta característica es motivo de una clasificación de lasers, como puede ser de estado sólido, líquido, gas o semiconductor, cada uno con ventajas, desventajas y características diferentes.

Finalmente, los espejos son algo muy importante. Son los encargados de amplificar y dirigir la luz de nuestro laser.

Imaginemos la reacción en cadena ya tan mencionada. Después de muchas interacciones entre electrones y fotones, llegará el caos L Si bien la luz tendrá la misma longitud de onda, el lugar hacia donde será emitida no sería la misma, ya que escaparía por todos lados. Es aquí donde nuestros espejos entran en juego. De un lado de nuestro sistema (podemos imaginar un pequeño tubo para nuestro laser) tendremos un espejo que reflejará todos y cada uno de los fotones que lleguen hasta él, regresándolos hacia la zona de colisión y ayudando a nuestro proceso de inversión de población. Del otro lado de nuestro sistema, tendremos un espejo parcialmente reflejante, es decir, que dejará pasar un poco de la luz o unos cuantos de los fotones que incidan sobre él. De esta forma, la luz que salga por este espejo será la luz que vemos, manteniendo las 3 características que vimos para cualquier laser: es coherente, direccional y monocromática y la luz que se refleje continuará ayudando a nuestro proceso de creación de más energía =)

[3] Diagrama del diseño de un laser con núcleo o medio de rubí.

Ahora que sabemos construir un láser es hora de aclarar unos cuantos puntos sobre seguridad. Jamás debes apuntar el láser hacia cualquier ser vivo porque puedes causarle serios daños, en especial a los ojos por su sensibilidad. Por otro lado, es importante notar que la luz emitida puede tener cualquier longitud de onda, con lo que puede no ser visible por nosotros, pero aun así ser muy poderosa y por lo tanto peligrosa, tal es el caso de los laser a base de dióxido de carbono.

Existen muchas aplicaciones de estos dispositivos, desde guardar bits de información como en cds o dvds emitiendo breves pulsos de luz, en operaciones de los ojos utilizando la luz emitida para suturar alguna herida o eliminar algún coagulo de sangre, para transmitir información a través de largas distancias como se hace en la tecnología de fibra óptica o en la tecnología de pinzas ópticas, en la que se usan pulsos de luz para manipular objetos microscópicos.

Finalmente me gustaría que vieran unos videos que me parecieron geniales. Están en el siguiente link y es una investigación del MIT. En el tercer video se aprecia un pulso de luz de un laser viajando a través de una botella, espero que les guste J

http://web.media.mit.edu/~raskar/trillionfps/

Esta entrada participa en la edición XXXI del Carnaval de la Física, que se celebra en este mismo blog

Imágenes

[1] Light Microscopy Core Facility. Duke University.

http://microscopy.duke.edu/introtomicroscopy/fluorescence.html

[2] Starizona. Adventures in astronomy & nature

http://starizona.com/acb/ccd/advimnarrow.aspx

[3] How a laser works. Inventors.

http://inventors.about.com/od/lstartinventions/ss/LaserWorks.htm

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2 comentarios el “De la ficción a la realidad: Los Lasers

  1. Pingback: Resumen del XXXI carnaval de la física | Imperio de la Ciencia

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