El láser y algunas sus aplicaciones

El láser es un dispositivo electrónico que amplifica un haz de luz de extraordinaria intensidad. Se basa en la excitación de una onda estacionaria entre dos espejos, uno opaco y otro traslúcido, en un medio homogéneo. Como resultado de este proceso se origina una onda lumínica de múltiples idas y venidas entre los espejos, que sale por el traslúcido. 

El fenómeno de emisión estimulada de radiación, enunciado por Einstein en 1916, constituye la base de la tecnología empleada en la fabricación de dispositivos láser. Los primeros experimentos que aprovecharon dicho fenómeno culminaron en el hallazgo, en 1953, del denominado máser, un sistema que empleaba un haz de moléculas separadas en dos grupos (excitadas y no excitadas), utilizado para la emisión de microondas en una cámara de resonancia. 

En una fase posterior, la investigación se encaminó al estudio de un método para producir este tipo de radiación estimulada en el caso de la luz visible. Surgió así, en los años sesenta, el denominado máser óptico, el láser, término que deriva de las iniciales Light amplification by the stimulated emission of radiation (amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación). En los comienzos se consideró, que el material básico para la emisión estimulada de luz debía ser un gas, posteriormente comenzó a experimentarse con cristales sintéticos de rubí. 

El átomo está integrado por un núcleo, formado por un conjunto de protones y neutrones, y por una serie de electrones emplazados a determinada distancia, alrededor del núcleo. Electrones, protones y neutrones son las tres partículas básicas. Los electrones poseen una masa muy pequeña y carga negativa. Por su parte, protones y neutrones tienen aproximadamente la misma masa, pero mientras los primeros poseen carga eléctrica positiva, los neutrones carecen de carga. Los electrones del átomo, cuya energía depende de su distancia al núcleo, puede encontrarse en estado excitado, con una energía superior a la normal, o en reposo. En el estado excitado, el electrón almacena una determinada proporción de energía. 

En virtud del proceso de absorción, cuando un fotón choca con un electrón no excitado, puede pasar al estado excitado. Habitualmente un electrón que resulta excitado, al cabo de un tiempo pasa nuevamente al estado de reposo, emitiendo al pasar, un fotón. Este fenómeno, conocido como emisión espontánea, es el que tiene lugar, por ejemplo, en el Sol  o en la bombillas. 

Las tres características que diferencian al rayo láser de la luz del Sol o de la generada por una bombilla, es que aquel es un haz de luz monodireccional, monocromático y coherente. 

Las emisoras de luz despiden millones de ondas que pueden tener idéntica dirección o poseer direcciones distintas. La bombilla es un emisor de luz omnidireccional, frente al láser que es monodireccional. En cuanto a la característica del monocromatismo, el color de una luz está en función de su frecuencia, si todas las ondas poseen la misma frecuencia, también poseerán el mismo color. Los filamentos de las bombillas están formadas por átomos y moléculas diferentes, y, por tanto, la energía absorbida y desprendida en forma de fotones adopta valores diversos. Puesto que la frecuencia del fotón está en relación con su energía, al variar la energía, varía la frecuencia emitida. La luz de una bombilla tiene múltiples frecuencias, dependiendo del filamento que se haya empleado en su construcción. Por el contrario, la fuente de luz proviene de un gas o de un sólido muy purificado. En ambos casos los átomos tienen idénticos valores energéticos. 

El láser está formado por un núcleo, que suele tener forma alargada, donde se generan los fotones. El núcleo puede ser una estructura cristalina, por ejemplo rubí o un tubo de vidrio que contiene gases, por lo general, dióxido de carbono o la mezcla helio-neón. Son materiales que poseen electrones fácilmente excitables y que no emiten inmediatamente de forma espontánea, pudiendo quedar excitados durante un tiempo mínimo, tiempo que se necesita para que los electrones produzcan emisión estimulada, no espontánea.

Junto al núcleo se halla el excitador, un elemento capaz de provocar la excitación de electrones del material que se halla en el núcleo, a partir de una lámpara de destellos, que provoca un flash semejante a una cámara fotográfica, o de dos electrones que producen una descarga eléctrica de alta tensión. 

El tercer componente del láser son dos espejos paralelos emplazados en los extremos del núcleo, uno de ellos es reflectante, el otro semirreflectante, es decir, permite el paso de una parte de la luz que le llega.

Cuando se verifica la excitación, gran cantidad de electrones pasan al estado excitado, y una gran mayoría de ellos permanece en dicha situación durante un determinado intervalo de tiempo. No obstante, algunos realizan una emisión espontánea, generando fotones que se desplazan a todas direcciones. Aunque en su mayoría se pierden por los laterales donde no hay espejos, un pequeño número rebota entre ellos y pasa por el interior del núcleo que es trasparente, provocando la emisión estimulada de nuevos fotones en la misma dirección, los que nuevamente rebotan e los espejos, originando la emisión de más fotones.

En la actualidad, las aplicaciones del láser  son múltiples. Dado que un haz de rayo láser origina una línea recta de luz, es posible utilizarlo como guía en el tendido de tuberías, para definir techos y paredes completamente planos en los trabajos de construcción, o para medir distancias (calculando el tiempo que tarda la luz en ir y volver al objeto a medir).

Por otra parte, el rayo láser produce gran definición, lo que permite utilizarlo en las impresoras de los ordenadores. La grabación de imagen en tres dimensiones se basa, asimismo, en el empleo de dos rayos láser, uno de los cuales da directamente en la película, mientras el segundo rebota en el objeto que se desea fotografiar.

Muchas de las aplicaciones del láser no dependen tanto de su capacidad para generar el rayo de luz, como del hecho de que representan una concentración extremadamente intensa de energía. Sin embargo, hay tres aplicaciones sumamente importantes en el terreno de la óptica. Una de ellas son las comunicaciones mediante fibra óptica, en ese caso, las señales eléctricas que se desplazan a través de conductos metálicos, son reemplazadas por pulsaciones ópticas que se transmiten a través de fibra de vidrio del grosor de un cabello. Como potente fuente de luz, el láser confiere a estas fibras una elevada capacidad de transmisión.

La segunda aplicación óptica importante está en la holografía, una novedosa forma de creación de imágenes tridimensionales, inventada en 1947, por el ingeniero eléctrico húngaro Denis Gabor, que obtuvo por ello el Premio Nobeel en 1971.Esta técnica se basa en la interferencia entre dos rayos de luz. Uno de ellos se refleja por el objeto representado sobre una película fotográfica, mientras el otro incide directamente sobre la película como rayo de referencia. Cuando la película se revela y se observa la imagen con la luz de la misma longitud de onda, surge una representación tridimensional del objeto original. Con el tiempo, la holografía llegó a hacerse familiar en una variedad de formas, como en la marca de seguridad de las tarjetas de crédito y publicidad.

La tercera aplicación importante del láser está en las impresoras de los ordenadores, donde un rayo láser controlado dibuja las palabras que han de imprimirse sobre una película fotográfica. Algunas de sus aplicaciones dependen de su capacidad para concentrar gran cantidad de energía sobre una superficie muy pequeña. Dos importantes aplicaciones industriales son la perforación y el corte de distintos materiales. En el primer caso, se calienta un área pequeña durante el tiempo necesario para que el material que se quiera eliminar se vaporice.

Otra aplicación industrial de los lásers es la implantación de concentraciones locales de diversos tipos de átomos en los chips de silicio. El láser funde un diminuto punto del chip, se introducen los átomos extraños y se deja que el silicio vuelva a solidificarse, atrapando los átomos que se querían implantar.

Otros dos usos del láser tienen mucho más que ver con la experiencia cotidiana. Una de ellas es la lectura de los discos compactos, evitando todo contacto con la superficie del disco, el otro es la lectura del código de barras, que aparece en los envases de los productos de los supermercados, donde figuran el precio del artículo y otros datos adicionales.

Asimismo, el láser tiene aplicaciones limitadas, aunque muy importantes, en medicina.  Se puede utilizar, por ejemplo, para reparar el desprendimiento de la retina, mediante una especie de soldadura minúscula , así como para efectuar incisiones que no sangran, porque el calor del láser cauteliza la herida. En ciertas circunstancias, como las operaciones de pacientes hemofílicos, esta posibilidad es de vital importancia.

Finalmente, una curiosa aplicación del láser comprende el espionaje. En 1968 se descubrió que un rayo láser puede detectar perfectamente desde el exterior las vibraciones del cristal de las ventanas producidas por las conversaciones en el interior de una casa