EL LÁSER es un dispositivo que produce haces de luz muy colimados y de una intensidad mucho más alta que la que pueden tener fuentes convencionales de luz. Explicación del funcionamiento de un láser.
Los átomos y moléculas son entes que tienen niveles de energía bien definidos; además, en los átomos pueden ocurrir transiciones justamente entre los niveles de energía permitidos.
Ahora bien, si un átomo está en un nivel excitado, al ocurrir una transición a un nivel más bajo emite energía en forma de radiación electromagnética; más precisamente, se dice que se ha emitido un fotón. Mencionamos que la radiación electromagnética tiene una naturaleza muy especial: si interacciona con la materia, como por ejemplo con átomos, se comporta como si fuera una partícula, un fotón. Si no interacciona con la materia se comporta como si fuera una onda.
La frecuencia de la onda que emite el átomo es proporcional a la energía emitida, es decir, a la separación entre los niveles en cuestión. Si resulta que la frecuencia tiene el valor que cae entre los límites del espectro visible, el átomo estará emitiendo ondas electromagnéticas que el ojo humano registra como luz visible. Dado que la frecuencia de la radiación está asociada al color que le asignamos (si está dentro de la región visible), lo anterior significa que un átomo dado sólo puede emitir ciertos colores perfectamente característicos. Los átomos también emiten radiación con frecuencias que están fuera de la región visible, por ejemplo en el infrarrojo o el ultravioleta; el ojo humano no ve estas radiaciones.
Asimismo, el átomo puede absorber energía electromagnética al pasar de un nivel a otro de mayor energía. Una de las posibilidades es cuando absorbe energía electromagnética, y se dice que el átomo ha absorbido un fotón; cuando pasa de un nivel inferior de energía a otro superior, como cuando experimenta una colisión, también absorbe energía. Veamos lo que sucede en el caso de la absorción de energía electromagnética.
el átomo solamente puede absorber energía que tenga valores bien precisos, a saber, iguales a la diferencia de energías entre los niveles en que ocurre la transición. Si el átomo absorbe radiación electromagnética solamente podrá hacerlo para valores de la frecuencia bien determinados. Si sobre el átomo incide radiación electromagnética que tenga frecuencia de un valor distinto a cualquiera de los mencionados, el átomo no absorberá dicha radiación; en este caso el átomo es transparente a la radiación incidente.
Si se tiene un conjunto de átomos, como los que componen un gas, que está en equilibrio a una temperatura dada, entonces la mayoría de ellos se encuentra en su estado base; otro número menor de átomos está en el primer estado excitado, y otro número todavía más pequeño se encuentra en el segundo estado excitado, etc. Si en estas condiciones se iluminan estos átomos con luz de frecuencia que corresponde a la diferencia de energías entre el estado base y el primer excitado, digamos, entonces el gas absorberá energía de la radiación. En estas circunstancias el campo de radiación disminuye su intensidad, porque parte de su energía fue absorbida por los átomos del gas. Si la frecuencia de la onda incidente no es igual a la que corresponde a alguna diferencia entre los niveles de energía del átomo, la sustancia no absorbe nada y el haz la cruza; se trata de una sustancia transparente.
Supóngase que de alguna manera se pudiera lograr que en un gas hubiera más átomos en el primer estado excitado que en el estado base, que corresponde a una situación que no es de equilibrio. En estas condiciones, los átomos pasarán en mayor número del estado excitado al base, es decir, habrá emisión neta de energía del átomo al campo de radiación. Si la cantidad de energía proporcionada por los átomos es mayor que las inevitables pérdidas que ocurren, entonces la intensidad de la radiación aumentará. El proceso por medio del cual se logra la inversión de la población de los niveles de energía se llama bombeo óptico, y para lograrlo se requiere que un agente externo proporcione energía a la sustancia. Por tanto, el bombeo óptico es el mecanismo por medio del cual se entrega esta energía, que se transforma en energía de la radiación que emiten los átomos.
Ahora bien, cuando un átomo está en un estado excitado puede ocurrir la transición a un estado de energía más bajo en forma espontánea, con la consecuente emisión de radiación, o sea de un fotón. Albert Einstein (1879-1955) descubrió en 1917 que si un átomo excitado se encuentra metido dentro de un campo de radiación electromagnética, también puede ocurrir otro proceso de emisión, que es inducido o estimulado por el campo. Si el fotón de la radiación incidente tiene la energía adecuada (que debe corresponder a la diferencia de energías entre los niveles en los que ocurrirá la transición), y si el sistema tiene un buen número de átomos en estados excitados, o sea que se ha invertido apreciablemente esta población, tendrá una buena probabilidad de encontrar un átomo excitado y de inducirlo a emitir otro fotón igual. Por tanto, salen en forma neta dos fotones iguales: el que llegó y el inducido. Mientras mayor sea la intensidad del campo, mayor será la probabilidad de que ocurra la emisión inducida. Los dos fotones que salieron del átomo incidirán sobre sendos átomos excitados y a su vez saldrán nuevos fotones, generándose así una cascada de fotones, todos ellos con la misma frecuencia.
Es claro que si no hay campo electromagnético presente no habrá emisión inducida.
las radiaciones emitidas en forma espontánea que ocurren en un gas de átomos tienen características distintas a las de la radiación inducida o estimulada. La radiación espontánea que emite cada átomo de un gas ocurre en forma azarosa, debido a que el momento preciso en que un átomo emite un fotón espontáneamente se da al azar. Por tanto, diferentes átomos excitados emiten fotones en forma independiente de los otros. Esto tiene como consecuencia que, por ejemplo, las fases de la radiación emitida por dos átomos sean, en general, completamente independientes una de la otra. Se dice que esta muestra emite ondas que están desfasadas. Por otro lado, cuando hay emisión inducida las ondas resultantes están en fase ya que el agente que induce la emisión, el campo electromagnético externo, trabaja simultáneamente sobre varios átomos. Por tanto, en la emisión espontánea las diferentes ondas están desfasadas al azar, mientras que en la emisión inducida o estimulada las ondas emitidas están todas en fase.
Cuando dos ondas se unen, la amplitud neta que adquieren depende de la diferencia de fases que haya entre ellas. Si las ondas están desfasadas, la intensidad resultante es bastante baja y puede ser nula, mientras que cuando no hay diferencia de fases la intensidad resultante es bastante grande. Por tanto, la intensidad de la radiación inducida o estimulada es mucho mayor que la de la radiación espontánea.
Un láser es un dispositivo que emite radiación inducida o estimulada. Las fuentes convencionales de luz que nos son familiares, por ejemplo, un foco eléctrico, emiten radiación espontánea. En consecuencia, la intensidad de la luz emitida por un láser es muchísimo mayor que la emitida por fuentes convencionales.
se muestra un esquema de un láser. El tubo contiene la sustancia que va a producir la emisión estimulada de luz. Esta se escoge de manera que sus niveles de energía proporcionen radiación en la frecuencia de interés. Por ejemplo, se usan gases como la mezcla de helio-neón, de bióxido de carbono, etc. El bombeo, o sea la inversión de la población, se logra por medio de una descarga de radiofrecuencia, proporcionada por el excitador externo.
