Entendiendo cómo funciona un Láser

Hoy ponemos el blog en modo didáctico: ¿sabías que la palabra LASER es el acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation? O como dicen en mi pueblo: «amplificación de luz por emisión estimulada de radiación». Un gran invento que hoy día va más allá de las viejas pelis de ciencia ficción.

El láser tiene muchísimas aplicaciones biomédicas: cirujía de todo tipo (por ejemplo LASIK), análisis biomolecular, tratamiento del cáncer por Terapia Fotodinámica (PDT), obtención de imágenes médicas por efecto Doppler, depilación, reconexión de vasos sanguíneos…

En cuanto a aplicaciones científicas y tecnológicas, la lista sería interminable: impresoras, ratones, reproductores de CD/DVD/Blu-Ray, termómetros, medidores de precisión, robots de fabricación, anenómetros láser, análisis topográficos… y, por supuesto, en comunicaciones ópticas como los sistemas de fibra FTTx.

Como cabría esperar, también existen aplicaciones militares: destrucción de blancos mediante el láser táctico de alta energía THEL , guiado misiles balísticos, detección LIDAR, cegado de tropas enemigas y cómo no, el sable de luz de Star Wars…

FUNCIONAMIENTO

Bueno, vamos al grano (el cuál también podríamos eliminar mediante tratamiento láser). Muy básicamente funciona así:

La absorción de un fotón puede llevar a una molécula a un estado electrónico excitado alto. El exceso energético de la molécula excitada pude disiparse por reemisión de radiación, devolviendo una radiación de la misma frecuencia que la que se absorbió. Es muy improbable que este retorno de energía se produzca de forma espontánea. Pero se puede lograr esta transición, para radiaciones de baja energía, a través de procesos de emisión estimulada, que ocurre cuando un fotón choca contra un átomo o molécula excitados, obligándolos a emitir prematuramente.

Esto puede suceder solamente cuando el fotón incidente posee la misma energía que el fotón «almacenado» en el estado excitado. La emisión resultante está en fase con la onda electromagnética que ocasionó su liberación. De esta forma, los fotones que entran en el sistema se unen a los procedentes de los átomos o moléculas excitados, produciendo una amplificación fotónica, para generar un haz de luz coherente o en fase.

Las etapas necesarias en la emisión láser son las siguientes:

1) Bombeo: Consiste en suministrar energía suficiente para mantener la inversión de población. Por ejemplo mediante excitación luminosa (usando lámparas de gas Xenon, Kripton o Helio), mediante excitación eléctrica de un gas o a través de una corriente eléctrica como es el caso de los diodos láser.

2) Inversión de Población: Los átomos o moléculas, a temperatura ambiente se encuentran en su estado fundamental, de baja energía y los estados de energía superior están mucho menos poblados. Para que sea efectiva la emisión estimulada, es imprescindible que se invierta esta situación y, de forma que sean los estados excitados los que estén más poblados. Puede que el medio activo posea estados intermedios metaestables, a partir de los cuales el retorno al estado fundamental sea una transición prohibida, lo que permite mantener el estado excitado.

3) Resonancia Óptica: En la construcción del láser se incorpora un mecanismo de retroalimentación que consta de dos espejos en sendos extremos del medio activo. Lo que se conoce como una cavidad óptica resonante. Cuando la radiación se ha amplificado lo suficiente se transmite fuera, a través de uno de los espejos de salida, que es semirreflectante. Finalmente se produce la emisión del haz, que puede ser pulsante o de onda continua.

SIMULADOR DIDÁCTICO

¿Queréis jugar un poco? ¿Habéis aprendido algo? Podéis comprobarlo descargando Lasers, una aplicación Java desarrollada por la Universidad de Colorado. Tratad de producir una emisión láser configurando los parámetros correspondientes. Os reto además a que tratéis de «reventar» el láser haciéndolo acumular energía constantemente durante varios minutos. ¡Comentad vuestros resultados!