Rayo Laser

De las cinco letras que componen el acrónimo LÁSER, la más específica es la “S”, que quiere decir “estimulada”. Las demás se refieren a palabras comunes. Su lectura completa es Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de la Radiación. ¿Qué es la emisión estimulada? Einstein la dedujo teóricamente y la explicó en 1916.

Pensemos en un electrón que está orbitando alrededor del núcleo dentro de un átomo, y lo hace con un determinado nivel de energía. Entonces puede ocurrir que el electrón pierda parte de su energía emitiendo un fotón y salte a otra órbita con un nivel energético inferior quedándose dentro del mismo átomo, lo que sucede si la energía que se lleva el fotón, que depende de su frecuencia, es igual a la diferencia de energías de las dos órbitas entre las que se puede mover el electrón. De forma inversa, el electrón puede recibir energía y saltar a un nivel energético superior. Hasta aquí todo normal.

Pero, si desde el exterior bombardeamos el átomo con un fotón con la energía adecuada, sucede que ese fotón induce, o estimula, la emisión de un fotón igual por parte de uno de los electrones del átomo, que lo cederá gustoso y pasará a ocupar la órbita de energía inferior, como hemos dicho antes. Así, nos encontraremos con que la radiación que entró en el átomo compuesta por un fotón, sale del mismo con dos fotones. Escalando el fenómeno a un número grande de átomos y a una radiación también más grande, tendremos que la radiación saliente será siempre mucho mayor que la radiación entrante. A esto es a lo que se llama emisión estimulada. Para que la radiación pueda producirse de forma continuada, habrá que bombear los electrones de la capa inferior a la que han descendido para que recuperen su estado inicial, de forma que el fenómeno se mantenga de manera permanente. La ventaja obtenida es que esto se puede hacer desde el exterior con una radiación normal, mientras que la radiación que obtenemos es de fotones de la frecuencia correspondiente al salto energético entre los niveles elegidos. Las figuras 1 y 2 ilustran lo que acabamos de decir.

Figura 1

Figura 2

Para reforzar más el fenómeno se puede utilizar un tubo de gas con dos espejos en los extremos como se muestra en la figura 3. De esta manera la radiación se va reflejando y volviendo hacia atrás para volverse a reflejar, y así tantas veces como queramos. Con estos recorridos múltiples se consigue un efecto amplificador importante. Después de múltiples reflexiones la radiación sale al exterior por uno de los extremos del tubo. En la figura se indica como se puede mantener vivo el fenómeno mediante una radiación desde exterior.

Figura 3

El resultado de todo esto es una radiación con unas características importantes. La primera es que se consigue una radiación con un haz luminoso muy concentrado que se propaga en línea recta sin apenas dispersarse. La segunda es que como la frecuencia viene impuesta por el salto energético de los electrones que cambian de nivel, se obtiene una luz monocromática de una longitud de onda muy precisa, y en consecuencia de un color muy puro. Y la tercera es que se trata de un tipo de luz que se denomina coherente, lo que significa que se propaga de forma ideal, lo mismo que se propaga la vibración de una cuerda.

Como hemos dicho en la entradilla, Einstein describió este fenómeno en 1916. Einstein era un físico teórico y cuando lanzaba una teoría invitaba a los físicos experimentales a que la sometieran a prueba con sus experimentos, lo que ocurrió con cierta frecuencia. Sin embargo, parece que en esta ocasión nadie lo hizo, y la emisión estimulada se quedó en un cajón hasta el año 1960, cuando un físico estadounidense llamado Theodore Maiman construyó el primer rayo laser. Y de nuevo la respuesta fue sorpresiva pues nadie sabía para qué servía el aparato que había construido Maiman. Algunos llegaron a decir que aquello era una solución a la espera de un problema. Sin embargo, la respuesta definitiva no tardó llegar, pues ya en 1961 se utilizó un laser para eliminar un tumor en la retina de un paciente. Desde entonces las aplicaciones no han dejado de crecer.

De todas las aplicaciones del LASER, la que vemos con más frecuencia es la lectura de los códigos de barras que hacen en los comercios, utilizando un dispositivo con forma de pistola muy fácil de manejar; este aparato lanza un rayo laser que es absorbido por las barras negras y reflejado por las barras blancas. La electrónica y la informática hacen todo lo demás. Otra aplicación interesante es la medida de distancias, que tiene un buen ejemplo en la medida de la distancia entre la luna y la tierra, utilizando un rayo laser que se envía desde la tierra y nos es devuelto por un reflector que dejaron en la luna los astronautas en 1969. Esta medida se realiza todos los días desde hace cincuenta años desde un laboratorio de Texas (EEUU). No podemos olvidar tampoco que de un rayo laser proceden las señales luminosas que recorren las fibras ópticas que dominan hoy nuestras comunicaciones, ni tampoco su utilización en medicina y en la industria. Y, como si fuera un bolígrafo, casi todos los conferenciantes lo llevan en el bolsillo para usarlo como puntero. El rayo laser es sin duda uno de los grandes inventos del siglo pasado.

Fotografía de cabecera: Theodore Maiman, inventor y constructor del primer rayo laser.