El desarrollo del laser

Son realmente pocos los descubrimientos científicos de este siglo que hayan tenido una repercusión tan profunda en nuestra vida científica y tecnológica como la ocasionada por el láser. Este instrumento ha permitido en muchas ramas de la ciencia un avance sin precedente que, sin él, no hubiera sido posible. Asimismo, son innumerables las aplicaciones del láser en diferentes campos tecnológicos. Ha permitido solucionar tantos problemas científicos y tecnológicos que se le llegó a definir como "instrumento que es solución en busca de problemas".

LUZ Y MATERIA El desarrollo del láser, como el de cualquier otro descubrimiento importante, fue posible gracias a los avances previamente logrados en otras disciplinas científicas. En el caso que nos ocupa, estas disciplinas las encontramos fundamentalmente en la física moderna y, en particular, en la parte de ésta llamada mecánica cuántica. A su vez, el germen que dio origen a la mecánica cuántica lo encontramos en el siglo XIX, cuando los científicos de la época trataron de encontrar la distribución del espectro emitido por un cuerpo caliente. Por tanto comenzaremos nuestra exposición aquí.

RADIACIÓN TÉRMICA Si calentamos un objeto a 200° C podremos notar al acercar la mano a éste que emite cierta radiación invisible llamada calor o radiación infrarroja. Si ahora aumentamos la temperatura del objeto hasta 600° C (la que produce por lo común una estufa eléctrica) notaremos que una tenue luz roja empieza también a ser emitida. Aumentando la temperatura del objeto a 2 000° C (la del filamento interno de un foco eléctrico) emitirá radiación visible de color amarillo y si seguimos aumentando continuamente la temperatura el color que observaremos será progresivamente, azul, violeta, etc.

LOS CUANTA DE ENERGÍA El problema de la radiación térmica también conocido como el problema del "cuerpo negro", fue resuelto por Max Planck en el año de 1900. Así se inició una de las más importantes ramas de lo que ahora llamamos física moderna. Planck halló la solución al postular que la energía de una onda electromagnética (o cualquier otro sistema oscilante) puede existir en forma de paquetes llamados cuanta. La energía E de cada cuanta es directamente proporcional a la frecuencia de oscilación. Esto es E = hv donde h es una constante universal, hoy conocida como constante de Planck y que vale h = 6.6256 x 10 -34 joules-segundo.

ÁTOMOS Y TRANSICIONES ELECTRÓNICAS El primer modelo "moderno" del átomo fue proporcionado por Ernest Rutherford. Este modelo estaba basado en sus resultados experimentales que mostraban conclusivamente que el átomo está formado por un núcleo muy masivo con carga positiva, alrededor del cual giraban los electrones, con carga negativa, formando un sistema similar a un pequeño sistema planetario. El problema fundamental de este modelo estaba en que, de acuerdo con la teoría electromagnética clásica, una partícula cargada como un electrón, girando en una órbita, debería radiar ondas electromagnéticas y perder así rápidamente toda su energía. Es decir, un átomo sería un sistema inestable en el cual sus electrones se colapsarían siguiendo órbitas espirales hacia el núcleo atómico y emitiendo en el proceso un breve destello de radiación electromagnética de una cienmillonésima de segundo. El universo, tal como lo conocemos, no podría existir. Nuevamente, como en el problema de la radiación térmica, la física clásica era incapaz de proporcionar una respuesta congruente con la observación experimental. Quien solucionó en 1913 esta paradójica situación fue el físico Niels Bohr al proponer un modelo atómico en el cual los electrones únicamente pueden encontrarse en un número discreto de órbitas alrededor del núcleo; para que un electrón pase de una órbita a otra debe emitir o absorber, según el caso un cuanto de energía.

INTERACCIÓN ÁTOMO-CUANTO Ahora enunciaremos los procesos básicos de interacción entre la materia y la radiación electromagnética que en su más pequeña escala se reducen a los procesos de interacción entre átomos y cuantos de energía de radiación electromagnética. Supondremos un sistema atómico elemental con dos niveles de energía E1 y E2 en el cual el primer nivel corresponde a un electrón en su órbita inferior y el segundo nivel corresponde a un electrón en su órbita superior. En el primer caso diremos que el átomo se encuentra en su estado base y en el segundo caso en su estado excitado. Como vimos en la sección anterior, este sistema atómico

sólo podrá interaccionar con cuantos que tengan una energía E igual a la diferencia de energía E = E2 - E1. Por lo tanto, la frecuencia v asociada a dichos cuantos de energía es E2 - E1 v = h En tal caso diremos que la interacción átomo-cuanto es un proceso resonante. En este libro sólo consideraremos interacciones resonantes. Por brevedad, de ahora en adelante llamaremos fotón a un "cuanto de radiación electromagnética".

AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS En raras ocasiones nos hallaremos en una situación en la que debamos considerar la interacción de un solo átomo con un solo fotón, tal como hemos hecho en el capítulo anterior. En vez de esto tendremos la interacción de un gran número de fotones con una enorme cantidad de átomos. Debemos por tanto discutir esta última situación y obtener resultados que nos permitan saber cuál será el resultado neto de la interacción entre grandes cantidades de átomos con fotones para posteriormente comprender qué es un amplificador y un oscilador láser.

ABSORCIÓN Y AMPLIFICACIÓN DE LUZ En esta sección discutiremos cómo podemos describir la interacción de grandes cantidades de fotones con átomos.

AMPLIFICADORES ÓPTICOS Contamos ahora con las ideas básicas necesarias para la comprensión del funcionamiento de un amplificador óptico, también conocido como amplificador láser. Este es un sistema tal que al introducirle un flujo inicial de fotones Si nos proporciona en su salida un flujo final de fotones Sf mayor que el flujo inicial Si. Dichos amplificadores ópticos generalmente tienen un aspectoes decir, un cilindro por un extremo del cual entra en flujo inicial de fotones Si y otro por el cual sale el flujo final de fotones amplificado Sf.

OSCILADOR ÓPTICO Después de exponer el principio básico de operación de un amplificador óptico, podemos fácilmente comprender el principio de funcionamiento de un oscilador óptico, también conocido como oscilador láser, o simplemente láser. Consideremos una cavidad amplificadora con un sistema de bombeo, a la cual hemos colocado en sus extremos un par de espejos planos (o ligeramente cóncavos).

CONMUTACIÓN DE Q Como veremos en el próximo capítulo hay osciladores ópticos o láseres que operan en forma pulsada y otros que lo hacen en forma continua. En general, el tiempo que dura un pulso de luz láser producido por un láser pulsado depende de la duración del pulso óptico o eléctrico que produce el sistema de bombeo. Para muchas aplicaciones prácticas la duración de tales pulsos láser es bastante grande y la intensidad del pulso es demasiado pequeña. Por lo tanto, se han diseñado varias técnicas que permiten obtener pulsos láser de duración muy corta y de muy alta intensidad, características que son necesarias casi para toda aplicación de un láser pulsado. En esta sección veremos el principio de una de las más importantes técnicas para obtener pulsos cortos e intensos. Esta técnica es conocida como "conmutación de Q" (Q- Switching es el término original en inglés). En el estudio de los sistemas oscilantes se ha definido una cantidad llamada "factor de calidad", que se denota generalmente por la letra Q. Esta cantidad se define como el cociente de la energía E almacenada por el sistema oscilante dividido entre la rapidez con que dicha energía es perdida por el sistema. Como sabemos, la rapidez con que un sistema pierde energía se denomina potencia P. La expresión matemática para el factor de calidad es donde v, es la frecuencia del oscilador y p= 3.1416.

UN POCO DE HISTORIA Como hemos visto a lo largo de estos capítulos, los conceptos básicos que dieron origen al láser se remontan al siglo pasado, con el nacimiento de la física cuántica. La física cuántica, relativista y clásica forman los pilares básicos en que se sustenta la física moderna. Como se ha dicho, la física cuántica surgió gracias a la incapacidad de la física de la época, ahora conocida como física clásica, para explicar algunos fenómenos observados. El concepto básico de la física cuántica es, como vimos en el primer capítulo, el del "cuanto" de energía, introducido por Max Planck en 1900. A partir de allí se inicia un vertiginoso desarrollo de la física cuántica y en 1917 Albert Einstein introduce el concepto de emisión estimulada, idea básica en la cual se sustenta el láser.

SISTEMAS LÁSER ESPECÍFICOS EN ESTE capítulo presentaremos el detalle de operación de algunos de los más importantes sistemas láser. Aunque en los dos capítulos anteriores se ha supuesto que en la cavidad amplificadora tenemos átomos en los cuales ocurren los procesos de absorción y emisión, esto no es esencial. Los procesos anteriores pueden también ocurrir en otro tipo de sistemas microscópicos, como por ejemplo las moléculas, los iones atómicos o incluso los electrones libres. En general, cualquier sistema microscópico en el cual los procesos de absorción y emisión puedan ocurrir será llamado centro activo y el medio macroscópico que éstos forman se llama

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