50 años del Láser

Th.Maiman tenía 32 años de edad en 1960, un ingeniero que se convirtió en físico. La barra de rubí que él empleó tenía unos pocos centímetros de longitud y estaba rodeada de un tubo helicoidal de descarga gaseosa que emitía un amplio espectro de luz con pulsos de unos milisegundos. Los extremos de la barra de rubí eran planos y perpendiculares al eje de la barra. El rubí es un cristal transparente de óxido alumínico, dopado con una pequeña cantidad de cromo (0.05%). El rubí aparece rojo, porque los iones de Cromo (Cr³⁺) poseen intensas bandas de absorción en las regiones verde y azul del espectro. Los iones de Cromo absorben fotones de la lámpara de descarga, abandonan el nivel fundamental 0, y ascienden a niveles energéticos superiores, un nivel que corresponde a 1.79 eV sobre el nivel fundamental. El tiempo medio que un ion Cromo permanece en ese nivel elevado es de unos 5 mili –segundos, un tiempo largo para un proceso atómico. Eso significa que se ha invertido la población, y el láser funcionará con una longitud de onda de 964.3 nm (color rojo). Esos fotones tienen energía suficiente para estimular a otros iones de Cromo desde el nivel fundamental, los cuales por absorción de luz hacen la transición a niveles metaestables. La intensidad de luz láser aumenta, y la inversión de población se mantiene. El diámetro del haz láser es de 1 mm.

Th.Maiman tuvo éxito porque en el láser de rubí a 3 niveles energéticos, la inversión de la población es difícil de alcanzar. Deben excitarse más de la mitad de los átomos del Nivel Fundamental.

He-Ne, el láser de 4 niveles

En el mismo año 1960 se estudió la creación de un láser más fácil y apareció el de 4 niveles, el láser de gas Helio-Neon. En él la inversión de la población es sencilla. En el láser de Rubí el átomo estimulado decae al nivel 0, genera la luz láser mientras que, en el láser de 4 niveles, el átomo estimulado decae emitiendo luz láser a un nivel energético inferior, también estimulado, pero no es el nivel fundamental 0.

Los átomos de Ne tienen 2 niveles energéticos sobre el fundamental, a 18.70 eV y a 22.66 eV. Los átomos de He estimulados, con descarga eléctrica, a 20.61 eV, colisionan con átomos de Ne, les comunican una energía mínima de 0.05 eV, y el átomo de Ne alcanza 20.66 eV. Como el nivel energético de 22.66 eV suele estar vacío, llenarlo con átomos de Ne es fácil, y la inversión de población se mantiene con facilidad. El láser He-Ne es un tubo de gas con 15% de He y 85% de Ne. En un extremo del tubo hay un espejo reflector, y en el otro extremo hay otro espejo casi totalmente reflector, por donde sale el láser. La luz es coherente, un haz muy estrecho e intenso, con una longitud de onda de 633 nm, rojiza.

En 1964 apareció el láser de CO₂, con potencias de centenares de vatios, desde entonces indispensable para cortar metales. 10 años después del láser de rubí, el láser He-Ne se hizo necesario para escanear el Código de Barras, contribuyendo a un ingente ahorro en la industria y el comercio. A continuación vino el Compact Disc, y comenzó el uso masivo del láser diodo semiconductor. Desde entonces han aparecido muchas clases de láser, siendo el más importante a nivel comercial el láser diodo semiconductor, que se fabrica por millones. Sólo en 2004 se vendieron 733 millones de láseres.

El láser de microondas

Actualmente láser es el oscilador que emite desde la banda de rayos X hasta el infrarrojo, éste inclusive. Llamamos máser al oscilador que emite en microondas y en la banda inferior. Sin negar méritos a Theodore Maiman, nada hubiera hecho sin el trabajo de los que le precedieron, comenzando con A. Einstein que, en 1916, estableció los fundamentos para el desarrollo de los máseres y láseres utilizando la radiación de Max Planck, basada en los conceptos de emisión espontánea e inducida de radiación.