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Un último paso hacia el láser, la cavidad resonante

Antes de comenzar, consecuentemente con las fechas en las que estamos, desear un feliz Año Nuevo a todos los lectores de Qué Aprendemos Hoy.

En este artículo dejaré temporalmente de lado la física cuántica y me centraré en un elemento macroscópico esencial para la construcción de láseres: la cavidad resonante. No dejemos que un nombre tan pomposo nos asuste. De hecho, he elegido publicar en estas fechas este artículo pues me pareció el más intuitivo de cuantos he publicado hasta ahora.

Una cavidad resonante no es más que un sistema capaz de reflejar múltiples veces ondas en su interior, creando ondas estacionarias. Las ondas pueden ser de cualquier tipo. Como siempre estamos interesados en ondas electromagnéticas de frecuencia muy alta, es decir, en ondas de luz; sin embargo, como primera introducción, hablaremos de ondas mecánicas, por ser más intuitivas.

Imaginemos una cuerda fija por sus dos extremos que agitamos de arriba hacia abajo. En esta cuerda se producirá una onda mecánica (la cuerda subirá y bajará). Por supuesto, esta onda deberá cumplir ciertos requisitos: los extremos están fijos, de modo que éstos no podrán moverse (es lo que, de modo general, en física se conoce como condiciones de contorno, es decir, las condiciones impuestas por los límites del sistema). Además, podemos imaginar, en general, que se producirán dos ondas a la vez en la cuerda, una viajando de “izquierda a derecha” y otra viajando de “derecha a izquierda”, lo que se conoce como onda estacionaria. Todo esto se traduce en algo similar a la siguiente ilustración:

Es fácil ver que, para que la oscilación pueda ser continua en el tiempo, la longitud de la cuerda L ha de ser un múltiplo entero de la semilongitud de onda λ/2 de la onda estacionaria, es decir, L = nλ/2. Esto ha de ser así porque λ/2 es la mínima distancia entre dos nodos, es decir, entre dos puntos de oscilación nula. Además, sabiendo que la frecuencia de una onda es f = c/λ, tenemos que f = n c/(2L). Estos valores de frecuencia son los que se conocen como frecuencias de resonancia.

Un sistema equivalente al de la cuerda pero para ondas electromagnéticas serían dos espejos metálicos planos enfrentados:

En este sistema, el campo eléctrico de una onda electromagnética se comportaría de forma idéntica a la cuerda que hemos descrito. Decir, como última nota, que existen otras  muchas configuraciones de cavidad resonante, con espejos esféricos en lugar de planos, con simetría triangular en lugar de linear, etc. Sin embargo, todas comparten que la frecuencias de resonancia son f = n c/(2L), siendo L la longitud total de la cavidad.

Con la cavidad resonante completamos todos los ingredientes para la construcción de un láser, de modo que mi próximo artículo describirá cómo combinar amplificadores de luz y cavidades resonantes para realizar esta utilísima pieza de tecnología.

Imágen| Onda estacionaria, Cavidad plana

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