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martes, mayo 18, 2021

La luz láser

 

Por Oracio Barbosa

 

Cuando el LÁSER fue una realidad en el año de 1960 fue un dispositivo en busca de una aplicación puesto que la luz LÁSER era diferente a la luz producida por cualquier otra fuente de luz, natural o artificial, de ese entonces; en ese año, T. Maiman diseñó y fabricó el primer LÁSER en los laboratorios Hughes en Malibu California. Sin embargo, difícilmente hoy en día podemos pasar por alto a tan importante dispositivo ya que se encuentra por todas partes en nuestra vida cotidiana. En el hogar el LASER lo encontramos en el reproductor de música, de videos o reproductores de Blu-ray; en la escuela o en una conferencia el expositor usualmente utiliza un apuntador LÁSER durante su exposición; en la medicina se utiliza para realizar operaciones quirúrgicas sin sangrado; en la industria es usado en el corte de tela, piel y metales; en el campo militar para el guiado de misiles; en la comunicación con fibra óptica el LÁSER es indispensable.

La diferencia entre la luz “tradicional” y la luz LÁSER radica en que esta última es casi-monocromática (definida por casi un solo color), es coherente tanto espacial como temporalmente. Un haz luminoso producido por una fuente de luz “tradicional” viaja y disemina su energía luminosa en toda dirección; si observamos la luz emitida por un foco en el techo de nuestra habitación podemos darnos cuenta que la habitación se ilumina por completo, no así si sustituimos el foco por un LÁSER.  La emisión LÁSER es coherente espacialmente y significa que la energía del haz luminoso no se diseminará en toda dirección, sino que permanece en la dirección de propagación inicial; de ahí que un apuntador LÁSER ayude a un expositor a señalar a distancia datos de su exposición en una pantalla; o bien que un misil con luz LÁSER pueda ayudar a dar en el blanco. La coherencia temporal de la luz LÁSER está directamente relacionada para concentrar su emisión en un rango muy corto de longitud de onda o de frecuencia (recordemos que cualquier tipo de luz es una onda electromagnética y como tal tiene asociada una longitud de onda y una frecuencia, ver figura 1), de tal forma que la luz LÁSER es de un color muy específico casi-monocromática y de alta brillantes o con una eficacia (lumen/watts) alta; la figura 2 muestra que la emisión de un haz luminoso por una fuente de luz incoherente (fuego, vela, foco, …) y una fuente de luz coherente, el  LÁSER; note que las ondas electromagnéticas del haz luminoso  coherente están en “fase” (las crestas y valles de la onda electromagnética se mantienen fijas cuando ocurre la propagación) manteniendo su longitud de onda y amplitud constantes conforme se propaga, no así en el caso del haz luminoso del foco donde hay ondas de varias longitudes de onda y su amplitud no es constante.  Del lado derecho de la figura se muestra la emisión de algunos láseres semiconductores mostrando que los haces son casi-monocromáticos y muy brillantes. 

La palabra LÁSER es un acrónimo en el idioma inglés: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplificación de luz por emisión estimulada de radiación); la amplificación de luz ocurre en la llamada “cavidad LÁSER” y en él existe el “medio activo” que propiamente es el material responsable de que el LÁSER funcione.  

Dependiendo del medio activo, existen 3 maneras de producir una emisión LASER; utilizando SEMICONDUCTORES, GASES, y materiales de ESTADO SOLIDO. El primero es el LASER más común en nuestra vida cotidiana y es reconocido como LED (Light Emitting Diode, diodo emisor de luz); este LASER se utiliza en los reproductores de música, videos, apuntadores, sensores, impresoras, …, con emisiones a 650 nanómetros, (emisión en el rojo) pero también se utiliza como energía de bombeo para los láseres de estado sólido; la emisión de estos LÁSERES semiconductores es muy amplia y con variadas potencias de emisión cubriendo desde el infra-rojo hasta el ultravioleta, ver figura 1. 

Con una mezcla de los gases de helio y neón, en una proporción aproximada de 5:1, se genera una emisión LÁSER con una longitud de onda de 632 nanómetros; este LÁSER de gas se utilizó como lector de los códigos de barras en diversos productos comerciales antes de producirse los LÁSER diodo.  Este laser de gas fue el primero de su tipo y aún es de uso muy amplio en los laboratorios de óptica y áreas afines; en educación también aún se utiliza, aunque ahora también esta siendo desplazado por los LÁSER de diodo. Existen también los láseres de dióxido de carbono con emisión en el infra-rojo (alrededor de 10 micras) y se emplean ampliamente para cortes de diversos materiales; el de nitrógeno que emite a 337.1 nanómetros (ultravioleta) y el de argón que emite en dos longitudes de onda 514 y 514-488 nanómetros, verde y azul-verde y es muy utilizado en oftalmología; el LÁSER excimer utiliza gases nobles y halógenos para producir luz ultravioleta.  

Los láseres de estado sólido utilizan vidrios, cristales o fibras (ópticas) dopadas como medio activo. Por ejemplo, existe el cristal granate el cual se reconoce por sus iniciales YAG y dopado por diferentes tierras raras emitiendo luz con diversas longitudes de onda dentro y fuera del espectro visible de las ondas electromagnéticas, ver figura 1. T. Maiman utilizó el cristal de rubí (zafiro dopado con cromo trivalente) para producir una emisión de luz de rojo profundo centrado en 694 nanómetros.  Los láseres de colorante deben también de señalarse porque fueron de mucha importancia por producir una emisión que podía ser sintonizada en una amplia gama de valores de longitudes de onda; sin embargo, están en franco desuso debido a que la sintonía en los láseres (emisión a diferentes longitudes de onda) se realiza hoy en día por otros medios y a que los materiales que se utilizan son cancerígenos; la rodamina 6G es un ejemplo de los colorantes usados que se hace circular en un circuito cerrado para producir y sintonizar, conjuntamente con otros líquidos, la emisión LÁSER.

 

Columna del CIO
Columna del CIO
El Centro de Investigaciones en Óptica (CIO) es uno de los Centros públicos de investigación pertenecientes al Conacyt. Se especializa en óptica y fotónica (estudio de la luz y su interacción con la materia) www.cio.mx

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