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El LASER- Principios básicos

En mis artículos anteriores introduje los “ingredientes” necesarios para la construcción de un LASER (light amplification by stimulated emission of radiation). En este artículo me gustaría explicar cómo, uniendo esos “ingredientes”, construimos el dispositivo láser.

Para comenzar, recordemos la cavidad resonante, donde la luz se ve reflejada múltiples veces creando una onda estacionaria. Imaginemos que esa cavidad resonante consta dos espejos: Un espejo perfecto (refleja el 100% de luz incidente) y  un espejo semitransparente o espejo de salida (refleja una cierta cantidad de luz y deja pasar el resto, pensemos, por ejemplo, en las ventanas de un autobús, en las que ves el interior tenuemente reflejado y superpuesto a la imagen del exterior). Es de esperar, por tanto, que en esta cavidad, si nada lo evita, la onda estacionaria creada se vaya atenuando progresivamente hasta desaparecer mientras la componente de la onda estacionaria que atraviesa el espejo de salida se va “escapando”. En otras palabras, la cavidad tiene pérdidas.

Un modo para compensar esas pérdidas es introducir un sistema de amplificación en el interior de la cavidad resonante. Esto es, precisamente, lo que se hace para construir un láser. Al amplificador óptico se le llama medio activo y puede estar compuesto de múltiples materiales (He-Ne, Nd-YAG, Si, CO2, etc.), el único requisito es que se pueda mantener al material en un estado que posibilite la emisión estimulada de manera continua. Los láseres tienden a ser clasificados según si su medio activo es sólido (láseres de estado sólido) o gaseoso (láseres de gas).

Las combinaciones posibles entre distintos tipos de cavidades resonantes y medios activos son muchísimas, no obstante, todos los láseres cumplen determinadas propiedades que los convierten en extremadamente útiles:

  • Haz colimado. Sólo los rayos perpendiculares al espejo de salida (por simplicidad supondremos espejo de salida plano, hay otras geometrías posibles, pero todas buscan el mismo efecto de colimación) se reflejarán de forma repetida dentro de la cavidad. Un rayo que no cumpla esta propiedad se iría alejando del centro progresivamente con cada ciclo de reflexión, llegando finalmente a incidir fuera del espejo de salida. Por tanto, todos los fotones salientes del láser tienen dirección de propagación paralela. Esto se trata de una aproximación, en la naturaleza no es posible un haz perfectamente colimado, pero es una aproximación bastante buena.

  • Radiación monocroma. La cavidad resonante sólo permite en su interior determinadas frecuencias discretas. Además, todo medio activo amplifica tan sólo un determinado rango de frecuencias. Combinando con cuidado resonador y amplificador, se consigue que sólo una frecuencia (color) sea a la vez frecuencia de resonancia y esté dentro del rango de amplificación.
  • Radiación coherente.

Por último, un apunte sobre cómo inicia el funcionamiento el láser. Es fácil ver cómo funciona una vez encendido, pero, ¿cómo llega la luz dentro del láser para iniciar la creación de la onda estacionaria? La respuesta es gracias a la emisión espontánea. En algún momento, un fotón emitido por radiación espontánea tendrá las propiedades necesarias (frecuencia, dirección, fase…) para poder iniciar el efecto láser, a partir de ahí, la emisión estimulada hace el resto.

Más información| Biblioteca digital; La “Aventura del Láser”

Imágenes| Esquema láser; Reflexión espejo; Haz láser

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