EL LÁSER Y SUS APLICACIONES
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FÍSICA: EXPLICACIÓN DE ESTE FENÓMENO FÍSICO

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EL LÁSER Y SUS APLICACIONES

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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 luminosa 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 de Light amplification by the stimulated emission of radiation (amplificación de la luz por la 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. En la actualidad, las investigaciones se dirigen hacia el desarrollo del láser de rayos X; en este caso, la fuente de excitación no es la luz de un flash ni una descarga eléctrica, como en los modelos anteriores, sino una explosión nuclear. 

El fundamento del láser: la emisión estimulada

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, pueden 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 llamado proceso de absorción, cuando un fotón —recordemos que las ondas de luz también se denominan fotones— choca con un electrón no excitado, puede hacer que pase al estado de 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 las bombillas. Ahora bien, un electrón puede ser inducido a liberar su energía almacenada. Si un fotón pasa al lado de un electrón excitado, éste retorna al estado no excitado a través de la emisión de un fotón de luz igual al que pasó junto a él inicialmente. Este proceso se conoce como emisión estimulada y constituye el fundamento del láser. 

La luz normal y el rayo láser

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

Los emisores 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 monocromatísmo, el color de una luz está en función de su frecuencia; si todas las ondas posee la misma frecuencia, poseen también el mismo color. Los filamentos de las bombillas están formados 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, en un láser, la fuente de luz proviene de un gas o de un sólido muy purificado. En ambos casos, los átomos tienen idénticos niveles energéticos. Como resultado, los fotones generados poseen idéntica energía y frecuencia. 

Las ondas electromagnéticas son señales alternas, es decir, cambian constante-mente de valor. Esta variación tiene forma de curva. La parte de la curva en que se encuentra la onda en un momento concreto y en una posición dada se llama fase. Dos ondas de idéntica dirección y frecuencia se encuentran cada una, normalmente, en una fase distinta. En el caso de que una de ellas se situara en un máximo y otra en un mínimo, se anularían. Sin embargo, puede suceder que ambas señales posean la misma fase y, consecuentemente, los mismos valores, lo que tendría como resultado una onda de doble de tamaño. Dado que en la luz normal las ondas no están en fase, una proporción elevada de su energía se pierde, puesto que unas señales se anulan con otras. Por el contrario, en el láser, todas las ondas poseen la misma fase y la energía resultante es la máxima posible, puesto que no se anula ninguna onda. Éste es el sentido del término coherente. 

Componentes del láser

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. En cualquier caso, son materiales que poseen electrones fácilmente excitables y que no emiten inmediatamente de forma espontánea, sino que pueden quedar excitados durante un tiempo mínimo. Es precisamente este pequeño intervalo de tiempo el 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 al de una cámara fotográfica— o de dos electrodos que producen una des-carga eléctrica de alta tensión.

El tercer componente del láser son dos espejos paralelos emplazados en los extremos del núcleo. Uno de ellos es reflectante, mientras el segundo es 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, permanece en dicha situación durante un determinado intervalo de tiempo. No obstante, algunos realizan una emisión espontánea, 1 generando fotones que se desplazan en 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 transparente. Al pasar por el núcleo, provocan la emisión estimulada de nuevos fotones en la misma dirección. Estos nuevos fotones rebotan también en los espejos, originando, a su vez, la emisión de más fotones, y así sucesivamente. Puesto que uno de los espejos es semirreflectante, una parte de los fotones, en lugar de rebotar, escapa, formando una especie de chorro muy fino: es el rayo láser visible. 

Aplicaciones del láser

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

Por otra parte, el rayo láser proporciona gran definición, lo que permite utilizarlo en las impresoras de los ordenadores. La grabación de imágenes 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.

Como es sabido, el volumen de información que transmite una onda electromagnética depende de su frecuencia; en este sentido, la luz de un rayo láser resulta idónea para la transmisión de señales. En el ámbito de la medicina, los bisturís cauterizantes recurren también a la tecnología del láser, lo que permite realizar cortes muy finos de gran precisión y evita cualquier riesgo de contagio; asimismo, el láser cauteriza de manera inmediata, alejando el peligro de hemorragias.

Una de las aplicaciones más cotidianas del láser es la lectura de discos compactos. Pueden mencionarse también la fabricación de circuitos integrados, la lectura de códigos de barras o el trabaj6 con materiales industriales.

Muchas de las aplicaciones del láser no dependen tanto de su capacidad para generar un 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 telecomunicaciones mediante fibra óptica; en este caso, las señales eléctricas que se desplazan a través de conductores 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 Dermis Gabor, que obtuvo por ello el premio Nobel en 1971. Esta técnica se basa en la interferencia entre dos rayos de luz. Uno de ellos es reflejado por el objeto representado sobre una película fotográfica. El otro incide directamente sobre la película como rayo de referencia. Cuando la película se revela y se observa la imagen con luz de la misma longitud de onda, surge una representación tridimensional del objeto original. Uno de los aspectos básicos del sistema, sin embargo, es la necesidad de utilizar luz coherente y, en el momento de su invención, sólo se disponía de fuentes relativamente débiles de este tipo de luz. La llegada del láser transformó la situación, porque la generación de una poderosa fuente de luz estrictamente coherente es su esencia misma. 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 en 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.

Otras aplicaciones del láser dependen de su capacidad para concentrar gran cantidad de energía sobre una superficie muy pequeña (alrededor de un millón de vatios por centímetro cuadrado), durante un periodo extremadamente breve. 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 quiere eliminar se vaporice.

Para este fin se utilizan los láseres denominados IAG (Itrio-Aluminio-Gramate), que emiten pulsaciones muy breves cerca de la región infrarroja del espectro, cada una de las cuales dura menos de una cienmillonésima de segundo. De esta forma, es posible perforar un orificio de pequeñísimo diámetro (desde 0,3 mm), con daños mínimos para el material circundante. Asimismo, debido a la enorme energía que se puede concentrar sobre un área muy pequeña, los láseres tienen importantes aplicaciones en la soldadura puntual de piezas especialmente sensibles. También es posible utilizar el láser para el corte de precisión, pero para este fin se utilizan láseres gaseosos (de dióxido de carbono), que generan un rayo constante, sin pulsaciones. Por ejemplo, un láser de CO2 de 500 vatios puede cortar una lámina de acero de 1 mm de espesor a una velocidad de unos 10 cm por segundo.

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.

Puesto que el rayo láser es muy fino y prácticamente no sufre divergencias, se puede utilizar para medir largas distancias con gran precisión. La técnica (semejante a la del radar) consiste en captar el rayo reflejado por el objeto distante y medir el tiempo transcurrido desde el envío de la señal hasta la recepción de su reflejo. Conociendo la velocidad de la luz, resulta fácil calcular la distancia. En los años 70, se utilizó este método para determinar con gran precisión la distancia de la Luna, utilizando los reflectores instalados allí por los astronautas norteamericanos.

Otros dos usos del láser tienen mucho más que ver con la experiencia cotidiana. Uno de ellos es la lectura de los discos compactos (lo cual evita todo contacto mecánico con la superficie del disco); el otro es la lectura del código de barras que aparece en el envase de los productos de los supermercados, donde figuran el precio del artículo y otros datos.

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

En los años 70, el láser encontró una nueva aplicación en la investigación química, cuando sir George Porter lo utilizó en sus trabajos sobre fotoquímica. Su investigación exigía destellos intensos de luz que no duraran más de un picosegundo (10 a la menos 12 segundos). El láser resultó ser un método sencillo y eficaz para este fin.

Finalmente, una curiosa aplicación del láser corresponde al 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.

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Fuente Consultada: Gran Enciclopedia Universal (Cap. 22)

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