El Laser

EL LÁSER
Principios Básicos de Funcionamiento
Los láseres son dispositivos que generan o amplifican radiación coherente de luz en las regiones infrarroja, visible y ultravioleta del espectro. El nombre LASER se formó con las iniciales de las palabras inglesas “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, que significan amplificación de la luz por la emisión estimulada de laradiación y proviene de un paralelismo con dispositivos anteriores llamados máseres, que trabajan en el rango de las microondas. El campo de los láseres es tratado en general por la electrónica cuántica, sin embargo algunas propiedades básicas pueden ser entendidas usando un punto de vista clásico. La creación de los láseres permitió extender una electrónica coherente desde las regiones de ondamilimétricas (usando válvulas de microondas y transistores ultrarápidos) a los regímenes submilimétricos, infrarrojo (IR), visible, ultravioleta (UV), hasta los rayos X suaves. Las aplicaciones de los láseres incluyen la Microbiología, Química, Medicina, Física y en diferentes ramas de la industria.
Básicamente los rayos láser contienen un medio láser (amplificador) un mecanismo de bombeo, y un sistema derealimentación. Un esquema típico es:
Los láser se distinguen por el tipo de medio que produce la ganancia óptica, por la manera de entregar energía al sistema (bombeo), y por la forma en que se realiza la realimentación. Una condición fundamental para su funcionamiento es que la ganancia sea mayor que las pérdidas. Esta es una condición de auto-consistencia de fase de la luz después de unavuelta por la cavidad (roundtrip).
Una oscilación (los láseres pueden ser llamados osciladores ópticos) sólo puede ocurrir cuando hay una ganancia suficiente. Esta condición depende del bombeo, de la retroalimentación y de la eficiencia delmedio láser. Es posible, por ejemplo, mejorar la retroalimentación, usando espejos reflectores, y la ganancia, bombeando intensamente, ó aumentando laconcentración de átomos del medio activo.
 
Inversión de la población
 
Por simplicidad de lenguaje se puede describir el sistema de ganancia hablando de átomos, a pesar de que este en realidad puede estar formado por moléculas, o depender de otras cualidades intrínsecas de los materiales como en los semiconductores. Estos átomos son capaces de absorber y emitir luz, ó en general, ondaselectromagnéticas, de forma resonante, esto es en un estrecho ancho de banda, en función de su estructura cuántica. Esta absorción ó emisión de luz está directamente relacionada con procesos de absorción o emisión de energía y con el consiguiente cambio de estado ó nivel energético (cuántico).
Se pueden bombear átomos hacia estados excitados de varias maneras, por ejemplo, con el pasaje de una corriente eléctricaa través del medio (debido a las colisiones de los átomos con los electrones), mediante absorción de luz, con energía química que se intercambia en reacciones químicas, etc. Se habla inclusive de la posibilidad de bombear láseres por medio de explosiones nucleares. Los átomos “preparados” están en estados excitados (niveles cuánticos altos), y como condición natural, tienden a relajarse haciaestados de menor energía (niveles cuánticos bajos), proceso que es la fuente de la luz láser. No basta con poder excitar algunos átomos. Es necesario excitar tantos átomos como sea posible para crear la condición de “Inversión de población”, en la cual hay más átomos excitados que átomos en un nivel de energía menor, de modo de favorecer el proceso emisivo de luz, frente al de absorción por losátomos desexcitados.
Se dice que cualquier medio puede laserar, con tal que se bombee energía con suficiente intensidad. En la década de los años 60 esto fue observado en un gran número de casos.
A veces la condición de inversión de población se puede obtener de una manera muy inteligente. Por ejemplo, en los láseres de excímeros una molécula de XeCl no es estable, pues el xenón al ser un gas...