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domingo, octubre 17, 2021

La naturaleza de la emisión láser

 

Por Oracio Barbosa

La luz es una onda electromagnética y se genera cuando los electrones en los átomos y/o moléculas de los materiales pasan de un estado de energía a otro de menor energía. Para que los electrones puedan hacer este cambio de niveles de energía requieren de ser estimulados ya sea mediante la aplicación de un voltaje eléctrico o de radiación externa. Esto significa que todo cuerpo que emita luz requiere primero de “absorber” energía. 

Pero si este es el origen de la emisión de luz, ¿en qué se diferencia una fuente de luz ordinaria a una emisión LÁSER? La diferencia esta en que una fuente de luz ordinaria emite luz incoherente mientras que el LÁSER lo hace de forma coherente. Para tener un mejor entendimiento de esta diferencia debemos repasar nuestro conocimiento de la estructura atómica.

La comprensión de la estructura del átomo se inició con el trabajo de Max Planck en el año de 1900. Este científico alemán estableció que la emisión de energía (calor) de los cuerpos calientes no se hacia de forma continua sino ¡discreta! Con ello estableció el nacimiento de una nueva física, la física cuántica o de paquetes (de energía). El mínimo de energía que se puede encontrar en la naturaleza es un “fotón” o paquete de energía; pero los fotones son de diferente energía. Con la teoría de Planck se pudo dar una explicación científica a la emisión de energía de los elementos químicos. Esta emisión tiene origen por supuesto a nivel atómico y un mismo átomo emite diferentes cuantos de energía o diferentes fotones. 

En la segunda mitad del siglo XIX el físico suizo Balmer había deducido de forma empírica una expresión matemática para explicar las líneas espectrales o espectro de emisión del hidrógeno. Estos espectros mostraban líneas discretas y cada una, ahora sabemos, corresponde a fotones de energía específicos. Estas líneas se identifican en el visible, ver figura 1, y se conocen como la serie de Balmer. Los científicos del siglo XIX no pudieron desarrollar una teoría que explicara la emisión del hidrógeno y en general la discontinuidad de los espectros de emisión de otros elementos químicos. Recordemos que en ese siglo se identificaban algunos elementos químicos, pero no se tenía una estructura atómica que explicara la naturaleza de la emisión “discreta” (no-continua) de los mismos.

En el año de 1911 el físico nacido en Nueva Zelanda Ernesto Rutherford propuso una estructura atómica semejante a un sistema planetario al demostrar la existencia del núcleo atómico que era mucho más masivo, pero con la misma carga eléctrica electrónica, que los electrones que orbitaban a su alrededor. Para el año de 1913 el físico danés Niels Bohr, considerando ese modelo, propuso que los átomos absorben energía no de forma continua, sino que de acuerdo a la teoría de Planck en forma de paquetes de energía. De esta forma, mediante un estímulo eléctrico o radiación externa el átomo absorberá paquetes de energía y los electrones pasarán a un estado excitado de mayor energía. Al regresar a su estado original se emitirán nuevamente fotones o paquetes de energía, ver figura 1; esta emisión de luz se identifica como emisión “espontánea”.

Albert Einstein en 1916 introduce el concepto de emisión “estimulada” con la cual se puede explicar la emisión de luz coherente del LÁSER. Esta emisión ocurre cuando los átomos logren tener una población crítica de electrones en un estado excitado (lo átomos son constantemente estimulados mediante una fuente de excitación); de manera que al ocurrir una emisión “espontánea” de un electrón inducirá a que otro también pase a su estado base, pero al hacerlo será una emisión estimulada.  Estas dos emisiones no serán en cualquier dirección sino ocurrirán en una sola definida por las paredes de la cavidad, resonante, del laser, ver figura 2. En esa cavidad se encuentra el “material activo” que originan las emisiones. El material activo, como vimos en la entrega anterior, puede ser un semiconductor, algunos gases o con materiales de estado sólido (cristales dopados). Cuando se logra la población crítica en el material activo, inicia el “laseo” y a este hecho se denomina “inversión de población”. Podemos entonces afirmar que la luz LÁSER se diferencia de la luz ordinaria porque en él existe una emisión adicional a la espontánea y es la emisión estimulada; de no ocurrir la emisión estimulada, la energía se radia en toda dirección. La emisión coherente es además cuasi-monocromática, los valores de la longitud de onda y amplitud de la luz emitida permanecen constante conforme hay propagación, ver figura 2. 

Por lo anterior, se puede considerar que Einstein fue el creador del LÁSER puesto que predijo la emisión estimulada. Antes del LÁSER  se construyó el MASER, Microwave Amplification by stimulated Emission of Radiation o bien amplificación de micro-ondas por emisión estimulada de radiación. Este acrónimo difiere del LÁSER solamente por la palabra inicial que en lugar de microwave es light en el laser; esto es el MASER genera radiación, coherente, en la región de micro-ondas y el LÁSER en el visible. El MASER fue fabricado en 1950 y el LÁSER en 1960, el primero por C. Townes y el segundo por T. Maiman. Tuvieron que transcurrir más de 30 años para corroborar que la emisión estímulada existía, tal y como la predijo Einstein. Así, el MASER y el LÁSER surgen en los laboratorios sin tener en mente una aplicación específica y hoy en día vemos láseres a nuestro alrededor en multiples aplicaciones: reproductores de música, videos, en comunicación, en cirugías sin sangrado, en el corte de diversos materiales.

En principio, todo cuerpo que emita luz tiene que absorber primeramente energía, ya sea mediante radiación externa ó por un estímulo eléctrico; la energía que se absorbe será en forma de paquetes de energía y excitará los electrones de los átomos o moleculas del cuerpo; y la energía radiante será en toda dirección y con diferentes valores de energía, luz incoherente. Esto debido a la estructura atómica de la materia y a que los átomos y molécula que la conforman tienen diferentes niveles de energía. La radiación emitida es resultado de una emisión espontánea y de ocurrir una inversión de población tendremos emisión estimulada la cual generara una emisión de energía coherente; si esta es en la región de micro-ondas tendremos a un MASER, mientras si la rediación es en el visible tendremos un LÁSER. Para que ocurra una emisión estimulada se requiere de una cavidad resonante, de un material activo y de un sistema de bombeo; éstas son las componentes básicas de un LÁSER  o de un MASER, ver figura 2.   

Comentarios al correo barbosag@cio.mx

 

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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