¿QUÉ SON Y CÓMO FUNCIONAN LOS LÁSERES?

El término láser proviene del acrónimo de light amplification by stimulated emission of radiation, esto es, amplificación de luz por emisión estimulada de radiación (el acrónimo castellano, menos atractivo como denominación pero no poco sugestivo, seria a leer, cosa que invitamos al lector a hacer con atención). El láser es un dispositivo que emite una luz monocroma, concentrada, coherente y particularmente intensa. La luz del láser es estrictamente monocromática porque su longitud de onda varia sólo unas pocas milésimas de nanómetro (el nanámetro, nm, equivale al millonésimo de milímetro, o a la mil millonésima parte del metro). La pureza de color de la luz de un láser es varios órdenes de magnitud superior a la de la luz monocromática de cualquier otro origen, cualidad que la hace insustituible en aplicaciones como la holografia y en algunos campos de la interferometría y la espectroscopia. Esa pureza de color es esencial, también, en ciertos aspectos del empleo de luz para el estudio de reacciones químicas o de procesos biológicos.

Además, y a diferencia de otras fuentes luminosas, un láser emite luz concentrada, es decir, la envía en una dirección precisa y con muy escasa dispersión. La luz común ilumina una superficie cada vez mayor a medida que se aleja de la fuente que la generó (piénsese, por ejemplo, en el haz de una linterna); en cambio, la superficie iluminada por la luz de un láser se mantiene casi constante por más que se la aleje de la fuente -de hecho, su aumento no excede al determinado por un ángulo de unos pocos milirradianes (un radián es igual a 180/t grados, o unos 57,3°). Esa baja divergencia hace aparecer a la luz que emiten los láseres como lineas muy nítidas y definidas, lo que dio origen al término rayo láser y constituye la base de aplicaciones de los láseres en telemetría, ingeniería, comunicaciones, etc. Por ejemplo, gracias a esta propiedad se pudo enviar un pulso de luz láser a un reflector dejado en la superficie lunar por una de las misiones Apolo, recibir la señal reflejada y -midiendo el tiempo- determinar con gran precisión la distancia la entre la Tierra y la Luna.

Por último, la luz láser tiene un carácter coherente debido a que las ondas que la constituyen están en fáse: alcanzan los máximos, los mínimos y los puntos de infíexión al mismo tiempo.

Como consecuencia de sus propiedades, la luz de un láser puede llegar a una alta intensidad (energía por unidad de tiempo y de superficie iluminada). Por ejemplo, la intensidad de la luz de una lámpara de filamento de 10 vatios es apenas suficiente para leer una hoja escrita, mientras que un láser de la misma potencia y situado a la misma distancia quemaría el papel. La posibilidad de concentrar mucha energía en regiones pequeñas del espacio es la base del empleo de láseres en aplicaciones industriales, como cortar metales.

El funcionamiento de los láseres está basado en el principio físico de la emisión estimulada de radiación. En general, la emisión de radiación electromagnética por un átomo está asociada a tránsitos entre sus niveles de energía. Para el tipo de radiación que emiten los láseres, estos tránsitos corresponden -frecuentemente, pero no siempre- a variaciones en la energía de los electrones del átomo. Por lo tanto, cuando un átomo pasa de un estado excitado -de mayor energía- a uno de menor energía, la diferencia de energía puede emitírse en forma de un fotón (es decir, de luz o, genéricamente, de radiación electromagnética). La energía del fotón viene dada por la diferencia entre las energías de ambos estados y la emisión puede ocurrir de forma espontánea o estimulada.

Para que una parte importante de los átomos de un sistema emita luz en condiciones estimuladas, es necesario que un porcentaje alto de ellos esté en estados excitados, situación que contrasta con la distribución espontánea de los niveles energéticos que caracterizaría al sistema, en la cual la mayoría de los átomos no estaría en estado excitado. Cuando en un sistema predominan los átomos excitados se dice que se produjo una inversión de la población, la que se logra suministrando energía al sistema, proceso que se conoce como bombeo y que se realiza mediante una descarga eléctrica, una reacción química o absorción de luz.

Las partes fundamentales de un láser son un medio amplificador o medio activo, sólido, líquido o gaseoso, que produce la emisión estimulada de luz. El medio se coloca en una cavidad resonante, en general compuesta por dos o más espejos (u otro tipo de dispositivo reflector) enfrentados uno al otro, que reflejan la luz -inicialmente emitida por una lámpara de bombeo u otro dispositivo y magnificada por el amplificador- y la envían una y otra vez a este, que incrementa su intensidad en los sucesivos pasajes a que da lugar cada reflexión. Así, la intensidad de luz se hace progresivamente más grande y produce una concentración de energía en determinada dirección: el haz láser emitido por el dispositivo. Uno de los espejos se fabrica de manera tal que deje pasar parte de la luz incidente, y esa fracción de luz es, normalmente, la salida del láser. La inversión de población del medio activo en la cavidad resonante se logra, en algunos dispositivos, sólo por períodos cortos (láseres pulsados, que emiten la luz en pulsos) y, en otros, en forma continua (láseres continuos).

La inversión de población hace que muchos de los átomos del medio activo estén en condiciones de producir emisión estimulada. Los fotones así formados se encuentran con otros átomos excitados y ocasionan una emisión en cadena. Sólo los fotones que inciden perpendicularmente al medio reflector participan en la amplificación.

El primer láser funcionó exitosamente en 1960. Su medio activo era un rubí sintético, constituido por un cristal de zafiro con pequeñas cantidades de cromo (el proceso de agregar pequeñas impurezas -en este caso cromo- a una substancia se denomina dopar, y puede dar lugar a cambios radicales de las propiedades de esta). La cavidad resonante tenía sus extremos plateados y el cristal, de forma cilíndrica, estaba rodeado por una lámpara de destello helicoidal que producía un pulso de luz muy intenso, similar al de un flash de fotografía. La luz emitida por la lámpara, absorbida por el cristal, provocaba tanto la inversión de la población como la emisión estimulada de luz: durante un tiempo muy corto, el rubí se comportaba como un amplificador de luz y emitía radiación láser de color rojo profundo. La emisión estimulada de luz era generada por cambios en los niveles electrónicos del cromo.

A partir de este primer láser se diseñaron otras configuraciones de cavidades resonantes y se fabricaron otros cristales, capaces de emitir radiación láser con mayor eficiencia, como el láser del raro metal neodimio con YAG (silicato de ytrio y de aluminio), el de neodimio en vidrio o el de titanio zafiro. Un tipo de láser muy difundido es el gaseoso, en el que el amplificador no es un cristal sino un plasma -un fluido constituido por electrones y átomos ionizados, es decir, que han perdido electrones- logrado mediante una descarga eléctrica en un gas. Con los láseres en que el gas es anhídrido carbónico (C0₂) se consiguen potencias muy grandes (varios kilovatios); se usan comúnmente para maquinar metales, cortarlos, soldarlos, etc. Láseres del gas argón (Ar⁺) son usados en aplicaciones médicas, como soldado de retina para tratar su desprendimiento, o en espectáculos y proyecciones animadas.

Los láseres semiconductores son los más difundidos en cuanto a sus aplicaciones tecnológicas. Son los más pequeños: algunos son sólo un poco más grandes que la cabeza de un alfiler. Pueden también asociarse muchos láseres de este tipo para formar un arreglo (array) capaz de emitir varios vatios de potencia continua. Se utilizan para comunicaciones ópticas por fibras, en lectores de discos compactos, en punteros o indicadores, etc.

La variedad de usos de los láseres es enorme, y el espectro de posibilidades de utilización se incrementa día a día. El explosivo crecimiento de sus aplicaciones, que ya incluyen muchos elementos de la vida cotidiana, está asociado a una intensa actividad de investigación científica en todo el mundo. El láser de rayos X bombeado por descarga que se presenta en este articulo es ejemplo de ello.