Definición de Láser

Ángel Zamora Ramírez
Licenciado en Física

La palabra láser responde al acrónimo en inglés LASER, que remite a Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, cuya traducción al español sería Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación. El láser se trata de un haz luminoso monocromático y que es coherente tanto espacial como temporalmente.

Si el láser es luz como cualquier otra, ¿Por qué es tan diferente a la luz emitida por otras fuentes como una bombilla? La luz de una bombilla se emite debido a que se hace pasar una corriente eléctrica por un pequeño filamento con cierta resistencia eléctrica, dicho filamento al calentarse comienza a emitir luz. Sin embargo, la luz emitida por la bombilla consiste en una distribución de varias frecuencias y se propaga en todas direcciones.

El haz luminoso de un láser es monocromático, ya que las ondas luminosas que lo componen tienen la misma frecuencia y es coherente porque dichas ondas están en fase, es decir, no existe interferencia destructiva entre ellas. Cómo resultado de esto, un rayo láser tiene la característica de estar bien focalizado y cuenta con una alta intensidad.

¿Cómo se produce un rayo láser?

Los electrones de un átomo se acomodan en distintos niveles de energía bien definidos, entre más lejanos estén del núcleo más energía poseen. Consideremos ahora un simple átomo cuyos electrones pueden estar en un nivel mínimo de energía que llamaremos E₀ y en un nivel de mayor energía que definiremos como E^*. Cuando un electrón del átomo se encuentra en algún nivel de energía distinto a la configuración de menor energía decimos que el átomo está excitado. Hay dos maneras en las que los electrones de un átomo pueden hacer una transición de un nivel de energía a otro.

Si el átomo se encuentra inicialmente en el nivel más bajo de energía E₀ puede excitarse y alcanzar el nivel E^* al absorber un fotón cuya energía hf sea igual a la diferencia de energía entre ambos niveles, es decir:

hf=E^*-E₀

Donde h es la constante de Planck y f es la frecuencia del fotón incidente. Por el contrario, cuando el átomo inicialmente se encuentra en el estado E^* puede emitir un fotón para caer al estado de mínima energía E₀. La energía del fotón emitido será la misma que la previamente mencionada.

Sin embargo, en 1917 Albert Einstein demostró que hay una tercera forma en que los electrones de un átomo pueden pasar de un nivel energético a otro. Esta transición recibe el nombre de emisión estimulada y ocurre cuando un fotón con energía hf incide sobre un átomo y provoca una transición desde el estado E^* hacia el estado E₀. En este proceso se emite otro fotón con la misma energía hf que a su vez es coherente con el fotón incidente. Esta forma de transición es la clave para poder obtener un láser.

Otra cosa importante para la generación de un láser es la existencia de ciertos átomos que poseen uno o varios niveles energéticos conocidos como metaestables. Generalmente, un átomo dura en el estado excitado alrededor de 10^(-8) s., no obstante, en átomos con un algún nivel de energía metaestable el estado excitado puede tener una duración mayor, de casi 10^(-3) s.

El láser de tres niveles es el tipo de láser más simple que existe. Este láser utiliza un arreglo de átomos o moléculas que cuentan con un estado metaestable por encima del nivel de mínima energía y otro nivel energético mayor al estado metaestable. Los átomos o moléculas de este tipo de láser se encuentran en un arreglo tal que al incidir sobre ellos luz con una energía igual a la del estado metaestable, se obtendrán más emisiones estimuladas de los átomo o moléculas en el estado metaestable que absorciones por parte de aquellas que están en el estado de mínima energía. Si colocamos este arreglo en una cavidad resonante como puede ser en medio de dos espejos, la luz original es amplificada y al abrir un pequeño orificio en alguno de los espejos se obtiene un rayo de luz de gran intensidad, monocromático y coherente, es decir, un rayo láser.

Aplicaciones del láser

Quizá estamos muy familiarizados con el término láser ya que hoy en día tiene cientos de aplicaciones que van desde lo cotidiano hasta cosas muy específicas. Podemos encontrar lásers, por ejemplo, en los lectores de DVD’s, de Blu – ray o de código de barras. En la industria se utilizan potentes cortadoras láser para cortar ciertos materiales muy resistentes.

En el ámbito médico el láser actualmente se utiliza para realizar decenas de cirugías. Quizá las cirugías láser con mayor relevancia son las cirugías oculares como el LASIK, que se realiza para corregir casos de miopía, hipermetropía y astigmatismo. Sin embargo, el láser también se utiliza para destruir cálculos biliares, para realizar ablaciones en ciertos casos de cáncer colorrectal, para extirpar verrugas, lunares, manchas de sol, etc.

El láser también nos ha permitido medir distancias con gran precisión, por ejemplo, medir la distancia entre la Tierra y la Luna utilizando un láser y un espejo que se encuentra en la Luna y que refleja el rayo incidente. En el año 2015 el Observatorio Gravitacional por Interferometría Láser (LIGO, por sus siglas en inglés) pudo observar por primera vez ondas gravitacionales que se produjeron en la colisión de dos agujeros negros.

Por: Ángel Zamora Ramírez. Licenciado en Física egresado de la Universidad de Colima. Maestro en Ciencias en Ingeniería y Física Biomédicas egresado del CINVESTAV. Amante de la divulgación científica.

Trabajo publicado en: Ene., 2023.

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