En ciencia, el láser ha supuesto una revolución en la manera como interactuamos con la materia a nuestro alrededor. Nuestro entendimiento actual de lo infinitamente pequeño, —electrones—, hasta lo infinitamente grande, —el cosmos—, no sería posible sin el desarrollo del láser.
Hoy en día entendemos cómo se mueven los electrones en escalas temporales muy pequeñas a través de láseres pulsados con duraciones del orden de 1 femtosegundo (0,000 000 000 000 001 s). También fuimos capaces de detectar variaciones en longitud 10 000 veces menor que el tamaño de un núcleo atómico en el experimento LIGO, confirmando la existencia de ondas gravitacionales, usando interferometría entre dos láseres.
¿Qué es un láser?
Cuando oímos la palabra láser, nos viene inmediatamente a la cabeza un dispositivo capaz de generar un haz de luz muy intensa, de un solo color y que se propaga en línea recta. La palabra láser procede de un acrónimo en inglés que significa «light amplification by the stimulated emission of radiation».En castellano,esto se traduce como «amplificación de la luz por la emisión estimulada de radiación». Es fácil entender lo que se quiere decir con «amplificación de la luz». Pero ¿qué es la emisión estimulada? Pues es el concepto clave que se encuentra detrás del funcionamiento de un láser. Y para entenderlo hace falta hablar un poco de mecánica cuántica y de cómo los átomos que componen los materiales interactúan con la luz.
Imaginemos un electrón en un átomo. Una de las maneras más sencillas de entender cómo se mueven los electrones alrededor de los núcleos atómicos es el modelo de Bohr. En este modelo, los electrones orbitan alrededor del núcleo en trayectorias circulares, muy semejante a la forma como los planetas lo hacen alrededor del Sol. Ahora bien, las leyes de la mecánica cuántica dictan que estas órbitas solo pueden tener unas formas y tamaños concretos. En el átomo más sencillo, el hidrógeno, la órbita más cercana al núcleo corresponde al estado fundamental, el estado de menor energía, y las demás órbitas se denominan de estados excitados.
Para excitar un átomo desde su estado fundamental, con energía E1, al primer estado excitado, con energía E2, tenemos que dar al sistema un cuanto de luz, un fotón, con una energía que es igual a la diferencia de energías entre los dos estados, E(fotón) = E2 − E1. El proceso en que un fotón es usado para excitar un átomo desde su estado fundamental a un estado excitado se denomina de absorción. Aunque esté totalmente aislado y en la ausencia de fotones, un átomo en un estado excitado es inestable. La naturaleza, en particular la interacción del átomo excitado con el vacío cuántico, fuerza el electrón a volver a su estado fundamental. Con ello, libera un fotón con energía que es igual a la diferencia de energía E(fotón). A esto llamamos emisión espontánea.
Emisión estimulada
En 1916, Albert Einstein predijo teóricamente un tercer fenómeno al que se denominó emisión estimulada. Cuando tenemos un átomo excitado en presencia de un fotón que tiene la energía correcta, o sea, con energía que es igual a E2 − E1, este fotón ayuda el átomo excitado a liberar su exceso de energía, emitiendo un segundo fotón que en todo es similar al primer fotón. De alguna manera, el primer fotón fuerza el átomo excitado a decaer al estado fundamental creando un clon suyo. En lenguaje más técnico, decimos que ambos fotones son coherentes. En un lenguaje más coloquial, ambos fotones reman para el mismo lado. La emisión estimulada es el reverso de la moneda de la absorción.
Inversión de población
¿Qué pasaría si en un material todos los átomos se encuentran en el estado excitado? Sin la presencia de fotones, el único proceso posible es la emisión espontánea. Ese átomo pasaría a su estado fundamental y liberaría un fotón. Este fotón podrá ahora interactuar con los demás átomos. Habiendo un único átomo en su estado fundamental y una multitud de átomos excitados, lo más probable es que este fotón termine interactuando con otro átomo excitado y por emisión estimulada, libere otro fotón. Ahora tendremos dos fotones que generaran cuatro fotones, y así consecutivamente. Al final, tendremos un proceso que se asemejará a una avalancha de fotones en el material. Y es así como se consigue un proceso de amplificación de la luz recurriendo a la emisión estimulada. En suma, para conseguir amplificación de la luz necesitamos tener más átomos excitados que en el estado fundamental, a esto se llama inversión de población.
Pero nos podemos hacer una pregunta. ¿Qué pasa cuando pasado algún tiempo hay el mismo número de átomos excitados y átomos en su estado fundamental? En ese momento, los fotones en el material inducirán tantas absorciones como emisiones estimuladas y llegaremos a un equilibrio donde la luz absorbida y la luz emitida se compensarían y no existiría amplificación de la luz. Para lograr una amplificación de la luz de manera prolongada en el tiempo tenemos que conseguir que el número de átomos con energía E2 sea mayor que el número de átomos en el estado fundamental y que esto se prolongue en el tiempo. Por tanto, es crucial conseguir de manera continuada en el tiempo la llamada inversión de población. Tenemos que recurrir entonces a un mecanismo externo que vuelva a excitar nuestros átomos, una especie de bomba hidráulica que enviaría átomos desde su estado fundamental hacia sus estados excitados. Una solución sería usar una fuente de luz. Como hemos visto, si nuestro sistema tiene apenas dos niveles cuánticos, E1 y E2, tenemos un problema: los fotones en el material serían usados de igual manera para absorción como para emisión estimulada, no consiguiendo nunca inversión de población en el material.
La solución pasa por usar sistemas de 3 o 4 niveles. Empecemos así por el sistema de 3 niveles: una fuente de luz tradicional bombea átomos desde su estado fundamental al estado excitado con energía, E3. Después, hay un rápido vaciado por procesos no-radiativos, o sea, que no liberan luz al nivel E2. De esta manera es posible conseguir inversión de población entre los estados 1 y 2. La luz láser generada tendrá fotones con energía, E2 − E1. Sin embargo, en condiciones de equilibrio, nos encontramos que todos los átomos están en el nivel fundamental. Esto quiere decir que necesitamos, por lo menos, igualar las poblaciones entre el nivel 1 y 2 para conseguir inversión, lo que significa poblar el segundo nivel en por lo menos un 50 %. Esto hace con que láseres que funcionan con sistemas de 3 niveles no sean del todo los más eficientes.
Para superar este problema podemos usar un sistema de 4 niveles. Bombeamos átomos desde el nivel fundamental hasta el cuarto nivel, E4. De ahí, ellos decaen rápidamente al tercer nivel, E3. Como inicialmente el segundo estado, E2, no está poblado, se consigue inversión más fácilmente sin tener que poblar E3 más que el 50 %. El sistema de 4 niveles es entonces mucho más eficiente que el sistema de 3 niveles para amplificar la luz. Para seguir con el proceso, una vez el átomo baje por emisión estimulada a E2 rápidamente tiene que decaer al estado fundamental.
De la teoría a la realidad
La semilla del láser fue entonces plantada por Albert Einstein en 1916. Sin embargo, como muchas de las contribuciones en física fundamental, fue necesario esperar unas décadas hasta que el primer láser fuera una realidad. En 1960, Theodore Maiman logró crear la primera fuente artificial de luz coherente, el láser era una realidad, usando rubí como medio activo. La idea del láser dejó de ser una curiosidad teórica y pasó a ser una realidad que abrió de inmediato las puertas a muchas aplicaciones en ciencia y tecnología.
Por ejemplo, en 1961, un año después de la invención del láser, se observó por la primera vez efectos ópticos no-lineares, en particular, la generación del segundo armónico. En este proceso, en vez de usar un fotón con energía igual a E2 − E1, se usan dos fotones en que su suma es igual a la energía de transición, E(fotón1) + E(fotón2) = E2 − E1. Después, se emite un fotón con una energía que es la suma de estos dos fotones. Este proceso es mucho menos probable que absorber un solo fotón, por eso requiere una intensidad de la luz muy alta. Con fuentes tradicionales de luz no conseguimos alcanzar esas intensidades, pero solo tardó un año después de la invención del láser hasta este descubrimiento. Esto ha sido el principio de un nuevo campo en la física: la óptica no-lineal, que sin el láser sería totalmente imposible.
Aparte de los innumerables avances en ciencia, el láser es hoy una presencia casi continua en nuestra experiencia cotidiana. En industria, los láseres son usados en la producción de microchips, en metalurgia, en el corte de metales, en el grabado de materiales, entre muchas otras aplicaciones. En nuestra vida cotidiana, en la lectura de CD, DVD y BluRay; en la transmisión de información en fibras ópticas; lectura de códigos de barras, entre otros. En medicina, los láseres son usados en el blanqueado de dientes, cirugías para el tratamiento de cataratas, sustitutos del bisturí tradicional, entre muchas otras aplicaciones de diagnóstico.
Sería muy complicado imaginarse la vida moderna sin el láser. El láser ha supuesto una auténtica revolución en la ciencia moderna, pero sus implicaciones han ido mucho más lejos. Todo esto empieza como un descubrimiento en 1916 y sus raíces están firmemente conectadas a los principios de la teoría cuántica. Hoy en día, el láser nos permite manipular y controlar la materia que nos rodea a niveles que serían impensables a principios del siglo xx, que sonarían a auténtica ciencia ficción incluso para los padres de la teoría cuántica.
Este artículo se publicó en el número de coleccionista de Muy Interesante nº. 25, Mundo cuántico.
