La historia del láser: de Einstein a Gordon Gould

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La tecnología L. A. S. E. R. (acrónimo en inglés que dio origen al término «láser» permite crear una gran variedad de sistemas diversos capaces de emitir un haz de luz definida coherente en el espacio, permitiendo la colimación a lo largo del tiempo, de modo que el espectro de emisión es muy estrecho (monocromo) mediante una amplificación óptica basado en un proceso de emisión estimulado por radiación electromagnética, de donde toma su nombre: Light Amplification (by) Stimulated Emission (of) Radiation. El término se ha extendido tanto que en idioma inglés se usa como verbo («to lase») y sus derivados para todos los efectos, de modo que con «lasing» se indica la actividad misma de emisión de un rayo láser.

En la física clásica, la luz es considerada como una superposición de oscilaciones electromagnéticas. Hasta mediados del siglo XX, a pesar de los esfuerzos por manipular la luz para hacerla versátil y funcional en diferentes campos de aplicación, no fue posible contrastar el límite de su policromía: los fenómenos ópticos (como los filtros, por ejemplo) casi lograron dar una coherencia a las radiaciones, pero atenuaban notablemente la intensidad del rayo.

En realidad, los rayos láser no son perfectamente monocromáticos, pero son capaces de concentrar casi toda su energía en una banda espectral muy estrecha y esto brinda muchas ventajas en un amplio rango de aplicaciones.
Es posible afirmar que precisamente con el advenimiento del láser la luz asumió un nuevo papel en el mundo industrial: el enorme potencial de esta tecnología comenzó de inmediato a ofrecer importantes puntos de aplicación e investigación.

Para medir un láser industrial, se toman como parámetros la frecuencia (en hertz), la longitud de onda (en micrómetros), la potencia media y la potencia máxima y la energía del impulso.

Las longitudes de onda relevantes para la tecnología láser van de 0,3 (UV) a 10 µm (CO2), es decir que cubren un rango que va desde los rayos ultravioleta hasta la luz visible y los rayos infrarrojos.

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Un breve recorrido histórico

Sin lugar a dudas, la historia del láser comenzó en 1916 con Albert Einstein, quien planteó que en la formación de una línea atómica espectral, intervienen esencialmente tres procesos: la emisión espontánea, la emisión estimulada y la absorción. A cada uno de estos procesos les asignó un coeficiente (conocido como coeficiente «Einstein»), que representa una estimación de la probabilidad de que dicho proceso ocurra.
Pero desde los primeros estudios de este genio, debemos esperar hasta 1950 para que el equipo de CH Townes construyera el primer dispositivo de trabajo que aplicaba concretamente las teorías de Einstein: la tecnología en cuestión se llamó M.A.S.E.R., que es el acrónimo de Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Amplificación de Microondas por Emisión Estimulada de la Radiación).

Al multifacético Theodor H. Maiman debemos los estudios posteriores, derivados del deseo de extender los principios de M.A.S.E.R. al campo de la luz infrarroja y visible, quien en 1960 completó el primer láser pulsado de rubí.
A partir de entonces, el láser tomó protagonismo en muchos campos y la investigación se orientó a desarrollar nuevas fuentes de láser y a mejorar las características de las existentes.

El problema de la patente

Aun no se conoce con certeza aún quién inventó el láser y las opiniones a este respecto contrastan profundamente entre sí, de modo que el láser, durante treinta años, ha sido objeto de una disputa sobre la patente.

Ya hemos mencionado que fue Theodore H. Maiman quien reanudó los estudios de Einstein: el 16 de mayo de 1960, el ingeniero californiano hizo funcionar el primer láser en los laboratorios de Hughes Research en Malibú.
Era un láser de estado sólido que usaba cristal de rubí para producir un rayo láser rojo con una longitud de onda de 694 nm y una frecuencia de 4 x 1014 Hz.

En el mismo año, Ali Javan, William R. Bennett y Donald Herriott construyeron el primer láser con helio y neón, llamado MASER óptico a gas, capaz de producir un rayo infrarrojo.
Tres años más tarde, K. Patel desarrolló el láser de dióxido de carbono en los Laboratorios Bell en Nueva Jersey.

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Quizás el protagonista más conocido de todos sea el físico Gordon Gould, quien, tras una conversación con Townes, había escrito varias notas sobre el uso óptico de los M.A.S.E.R. y sobre el uso de un resonador abierto, un detalle que más tarde se hizo común en muchos láseres.

Gordon Gould se consideraba a sí mismo el inventor del láser y había registrado sus notas ante notario, pero en la disputa legal que surgió, la oficina de patentes no le reconoció la paternidad del invento.

En 1977 logró un pequeño éxito, registrando la patente del bombeo óptico, y en los años posteriores colaboró en la elaboración de numerosos documentos que describen la gran variedad de aplicaciones posibles para el láser, incluido el calentamiento y la vaporización de materiales, soldadura, perforación, corte y diversas aplicaciones fotoquímicas.

En conclusión, podemos decir que, aunque nunca se le ha reconocido la invención del láser, Gordon Gould ha recaudado millones en regalías, tanto por sus patentes posteriores como por los estudios de otros investigadores, quienes posteriormente descubrieron todas las aplicaciones que actualmente conocemos para el láser.

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Componentes de un láser

  1. Medio óptico activo, es decir, un material (gas, cristal, líquido) que emite luz.
  2. Un sistema de bombeo que le suministra energía al medio activo.
  3. Dos espejos, de los cuales uno es semirreflectante.
  4. Una cavidad óptica, o resonador óptico, que es una trampa de luz
  5. Un rayo láser de salida.

En el láser se aprovecha la capacidad del medio activo de emitir radiación electromagnética (fotones) cuando se activa. La longitud de onda de emisión depende del medio activo.

El medio activo puede ser gaseoso (por ejemplo, dióxido de carbono, mezcla de helio y neón) líquido (solventes, como metanol, etanol o etilenglicol, a los cuales se agregan colorantes químicos como cumarina, rodamina y fluoresceína) o sólido (rubí, neodimio o semiconductores). El sistema de bombeo suministra energía al medio activo y lo excita con la emisión de fotones. La excitación puede ocurrir por:

  • Bombeo óptico
  • Choques electrónicos
  • Efecto penning
  • Transferencia resonante de energía

Las radiaciones emitidas normalmente se concentran a través de una cavidad óptica con paredes internas reflectantes y un área de salida semirreflectante. Esta última superficie es la única que permite la salida del rayo, el cual es procesado y reubicado por medio de una serie de lentes y espejos para lograr que el rayo resultante tenga la posición, la concentración y la amplitud deseadas.