50 años del Láser

Máser de Hidrógeno desde 1960

La oscilación se basa en la emisión estimulada entre dos niveles hiperfinos del hidrógeno atómico. Primero se somete el gas molecular hidrógeno, a baja presión, a una descarga de radiofrecuencia, con lo que el gas se convierte en hidrógeno atómico. Para conseguir una emisión estimulada es necesario crear una inversión de la población atómica. Después de pasar por un orificio y un campo magnético, muchos átomos del haz alcanzan el nivel alto de energía que corresponde a la transición láser. Desde este nivel los átomos caen a un nivel inferior y emiten radiación microondas.

Un máser de alta calidad confina las microondas y las reinyecta repetidamente en el haz atómico. La emisión estimulada amplifica las microondas en cada paso por la cavidad resonante. La combinación de amplificación y retroalimentación define al oscilador. La frecuencia resonante de la cavidad de microondas se sintoniza exactamente con la estructura hiperfina del hidrógeno: 1420 405 751.768 Hz.

Proyecto Galileo

En Europa el futuro Proyecto Galileo para 2013, competidor del GPS, se basa en máseres de hidrógeno. En 1972 un grupo de estos máseres determinan el Temps Atomique International, coordinado por Bureau International de Poids et Mesures.

El Tiempo Galileo se construye alrededor de 4 relojes embarcados en cada satélite: dos relojes atómicos de rubidio y dos masers pasivos de hidrógeno. El passive hydrogen maser fue desarrollado en 2001, pesa 18 kg, y tiene la oscilación típica del hidrógeno:1,420 GHz. Su estabilidad es tal que pierde solo 1 segundo en un millón de años. Dicho de otra forma: la exactitud de los máseres-reloj es del orden del microsegundo por año.

En el Proyecto Galileo, a nivel del suelo hay una red de máseres de cesio y de hidrógeno (activos), que dan un Tiempo de Referencia más preciso que el de los satélites. Hay un acuerdo firmado con EE.UU. para sincronizar el Tiempo GPS con el Tiempo Galileo. Ambos Tiempos pueden ser diferentes, por ejemplo: 1 o 10 microsegundos, pero debe conocerse esa separación con una precisión del orden de 5ns.

La extraordinaria precisión del máser-reloj posibilita que se redefina el segundo: un segundo es la duración de 9.192.631,770 períodos de la radiación emitida en la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133, a nivel del mar y con campo magnético cero. La señal de microondas que emite el máser es muy débil: unos pocos pW, pero es extremadamente estable.

Para un reloj máser de hidrógeno la estabilidad es de 1 nanosegundo por día. Un receptor coherente, con oscilador de cuarzo de alta calidad, amplifica la señal y cambia la frecuencia.

El rayo de la muerte

Sorprendió incluso a Th.Maiman que, ya en 1960, al láser le llamaran “el rayo de la muerte” aunque pasaron 20 años hasta que se pensase en su utilización militar. En la época de la Guerra Fría, con Ronald Reagan como presidente de los Estados Unidos, el Pentágono buscó nuevas armas antes de aparecer el láser de CO2. Hay láseres de CO2 de 1 kW, pero el volumen y peso es excesivo para el Ejército. En 1980 apareció el láser químico, con potencia de megavatios, pero resultó demasiado pesado. Y lo que es peor, la absorción atmosférica impedía alcanzar blancos lejanos.