Si estás en una habitación oscura y enciendes una linterna común, la luz se propaga en muchas direcciones, contiene una amplia variedad de longitudes de onda y su intensidad disminuye conforme se aleja de la fuente. Ahora piensa en un puntero láser: su luz forma un haz mucho más estrecho, con una longitud de onda muy bien definida y una divergencia muy pequeña, por lo que puede recorrer una habitación manteniéndose relativamente concentrada.
La palabra “láser” es un acrónimo formado a partir de la expresión inglesa Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, que significa “amplificación de luz por emisión estimulada de radiación”. En esencia, un láser es un dispositivo que produce luz con propiedades extraordinariamente ordenadas. A diferencia de la luz de una bombilla, cuyos fotones se emiten en muchas direcciones y en una amplia gama de longitudes de onda, la luz láser suele presentar una gran direccionalidad, una banda espectral estrecha y un alto grado de coherencia. Esta coherencia significa, de manera simplificada, que las ondas luminosas mantienen relaciones de fase bien definidas. Gracias a estas características, un haz láser puede mantenerse muy estrecho y también puede enfocarse en regiones extremadamente pequeñas.
La historia del láser comenzó mucho antes de que existiera el primer dispositivo. En 1917, Albert Einstein describió teóricamente la emisión estimulada, un proceso mediante el cual un fotón puede provocar que un átomo o molécula excitada emita otro fotón con las mismas características fundamentales de frecuencia, dirección y fase. Esta idea proporcionó uno de los principios físicos esenciales para construir un láser. Sin embargo, tuvieron que pasar varias décadas para que la teoría se transformara en tecnología. Durante los años cincuenta, Charles Townes y, de manera independiente, Nikolái Básov y Aleksandr Prójorov desarrollaron los fundamentos que condujeron al máser, un dispositivo basado en el mismo principio de emisión estimulada, pero que trabaja con microondas. Por estos trabajos, Townes, Básov y Prójorov recibieron el Premio Nobel de Física de 1964.
En 1960, el físico estadounidense Theodore Maiman construyó el primer láser funcional utilizando un cristal de rubí sintético y una lámpara de destello. El dispositivo producía pulsos de luz roja. En aquel momento todavía no estaba claro qué aplicaciones tendría esta nueva tecnología y llegó a describirse al láser como una “solución en busca de un problema”. La frase refleja bien la incertidumbre de aquella época: se había creado una herramienta extraordinaria antes de que se conocieran muchas de sus posibles aplicaciones.
Pero ¿cómo funciona realmente un láser? Podemos imaginar los átomos o moléculas del material activo como personas situadas en diferentes niveles de un estadio. Normalmente, la mayoría se encuentra en estados de menor energía. Para producir la acción láser es necesario aportar energía al material mediante un proceso llamado bombeo. Dependiendo del tipo de láser, ese aporte puede realizarse mediante luz, electricidad u otros métodos. En muchos láseres se busca conseguir una inversión de población, es decir, una situación en la que haya más partículas en un estado excitado determinado que en el estado inferior correspondiente.
Cuando una partícula excitada emite espontáneamente un fotón, este puede interactuar con otra partícula excitada y estimularla para que emita otro fotón. El nuevo fotón presenta características coherentes con el primero. De esta manera, la emisión estimulada puede multiplicar la radiación luminosa. Dos espejos situados alrededor del material activo forman una cavidad óptica que hace que la luz atraviese repetidamente el medio amplificador. En cada recorrido, parte de la luz puede amplificarse y, finalmente, una pequeña fracción sale a través de uno de los espejos, que es parcialmente transmisor. Así se obtiene el haz láser.
Un láser produce luz con una banda espectral muy estrecha. Sin embargo, todo haz experimenta cierta divergencia y puede sufrir pérdidas por absorción, dispersión u otros efectos. Lo extraordinario del láser es que su divergencia puede ser extremadamente pequeña en comparación con la de muchas fuentes convencionales, y que puede concentrarse una gran cantidad de energía en áreas muy pequeñas.
Existen numerosos tipos de láseres. Los láseres de gas incluyen, por ejemplo, los de helio-neón, conocidos por producir la característica luz roja de muchos dispositivos antiguos, y los de dióxido de carbono, empleados en aplicaciones industriales para cortar, grabar o procesar materiales. Los láseres de estado sólido incluyen el láser de rubí utilizado por Maiman y otros sistemas. También existen los láseres semiconductores, diminutos, eficientes y relativamente económicos, que se encuentran en numerosos dispositivos electrónicos y sistemas ópticos. Por su parte, los láseres de fibra son fundamentales en las comunicaciones ópticas, donde permiten transmitir enormes cantidades de información a través de fibras de vidrio extremadamente delgadas.
En la vida cotidiana, los láseres están presentes en muchos lugares. Los lectores de códigos de barras tradicionales utilizan láseres. Un episodio particularmente famoso ocurrió el 26 de junio de 1974, cuando un paquete de chicles Wrigley’s Juicy Fruit fue el primer producto vendido mediante un sistema de escaneo de código de barras en un supermercado, en Troy, Ohio.
Las impresoras láser también aprovechan las propiedades de la luz para formar imágenes electrostáticas sobre un tambor fotosensible, que posteriormente permite transferir el tóner al papel. Los láseres aparecen asimismo en lectores ópticos, equipos de medición, sistemas de comunicación, herramientas de alineación y una enorme variedad de instrumentos científicos e industriales.
En medicina, los láseres tienen aplicaciones muy diversas. Se utilizan en determinados procedimientos oftalmológicos, en dermatología, para tratar algunas lesiones, eliminar tatuajes y realizar intervenciones quirúrgicas con gran precisión. Los láseres también se utilizan en determinados procedimientos para fragmentar cálculos y en numerosas aplicaciones quirúrgicas y terapéuticas.
En la industria, los láseres permiten cortar, soldar, perforar, marcar y modificar materiales con gran precisión. Esto resulta especialmente útil en sectores como el automotriz, el aeroespacial y la fabricación de componentes electrónicos. En construcción y topografía se utilizan para proyectar líneas y puntos de referencia, mientras que en espectáculos pueden producir efectos luminosos de gran precisión.
Una de las aplicaciones más importantes se encuentra en las comunicaciones. Los láseres pueden transportar información a través de fibras ópticas, convirtiendo los datos digitales en señales luminosas capaces de recorrer grandes distancias con enormes capacidades de transmisión. Esta tecnología constituye una parte esencial de la infraestructura de internet y de las telecomunicaciones.
El láser también ha permitido realizar mediciones extraordinariamente precisas. Un ejemplo espectacular se encuentra en la Luna. Las misiones Apolo dejaron allí dispositivos llamados retrorreflectores, diseñados para devolver hacia la Tierra la luz que reciben. Desde observatorios terrestres se envían pulsos láser hacia estos reflectores y se mide el tiempo que tarda la luz en realizar el viaje de ida y vuelta. Con técnicas avanzadas de medición y el análisis de numerosos fotones es posible determinar la distancia entre la Tierra y la Luna con una precisión del orden de milímetros en determinadas condiciones experimentales.
Los láseres también pueden alcanzar potencias extraordinarias durante intervalos de tiempo diminutos. En las instalaciones de Extreme Light Infrastructure (ELI), en Europa, existen sistemas diseñados para alcanzar potencias máximas del orden de los petavatios, es decir, 10¹⁵ vatios. Se trata de potencia pico durante pulsos ultracortos, no de una potencia eléctrica continua comparable a la producción mundial de electricidad. ELI ha informado de sistemas que han superado los 5 petavatios y continúa trabajando para alcanzar niveles de hasta 10 petavatios en determinados sistemas.
La concentración de energía puede llegar a extremos sorprendentes. Un láser de alta potencia puede concentrar enormes cantidades de energía en intervalos de tiempo extraordinariamente breves, hasta el punto de generar condiciones de temperatura y presión extremas en pequeños volúmenes de materia. Estos sistemas se utilizan para estudiar física de plasmas, aceleración de partículas, materia en condiciones extremas y fenómenos relacionados con la interacción entre luz y materia. También se investigan como herramientas para estudiar nuevas formas de producir energía mediante fusión impulsada por láser.
En el extremo opuesto, los láseres también pueden utilizarse para enfriar átomos. El llamado enfriamiento láser emplea haces cuidadosamente ajustados para reducir el movimiento de los átomos y alcanzar temperaturas extremadamente bajas, cercanas al cero absoluto. Esta técnica abrió el camino a importantes investigaciones sobre gases ultrafríos y fenómenos de la física cuántica.
Otra de las propiedades fascinantes de los láseres es su capacidad para producir pulsos extremadamente breves. Algunos láseres ultrarrápidos generan pulsos de femtosegundos, es decir, de aproximadamente una millonésima de una milmillonésima de segundo. Estos pulsos permiten estudiar procesos que ocurren a escalas temporales increíblemente pequeñas, como determinados movimientos de electrones y transformaciones químicas.
Desde aquel primer dispositivo de rubí construido por Theodore Maiman en 1960 hasta los gigantescos sistemas de investigación actuales, la historia del láser es un ejemplo extraordinario de cómo una idea surgida de la física puede terminar transformando la vida cotidiana. Lo que comenzó con una predicción teórica de Einstein sobre la emisión estimulada terminó convertido en una herramienta utilizada para comunicarnos, fabricar objetos, medir distancias, estudiar el universo, realizar procedimientos médicos, investigar la materia y explorar los límites de la física.
Referencias:
- What Is a Laser? | NASA Space Place – NASA Science for Kids
- The Laser | Springer Nature Link
- What Is A Laser? | NIST
- Laser – Wikipedia
- Ablación láser – Wikipedia, la enciclopedia libre
- laser – Scholars | Britannica Kids | Encyclopedia
- Laser diode – Wikipedia
- A Brief History of Lasers | Fifteen Eighty Four | Cambridge University PressFifteen Eighty Four | Cambridge University Press
- Stimulated emission – Wikipedia
- Lasers: Useful and Ubiquitous | Stanford Emerging Technology Review