Luz Láser

Descripción de la imagen: La luz láser, descrita desde 1917 por Albert Einstein (1879-1955), es azul, verde o roja, es decir, compuesta de un solo color. Todos los demás colores son mezclas sutiles de colores. En 1960, el físico estadounidense Theodore Maiman (1927-2007) obtuvo por primera vez una emisión láser mediante un cristal de rubí. Fuente de la imagen: Astronoo IA.

Luz Azul, Verde o Roja

La luz natural o artificial (luz del día, lámpara incandescente, LED, etc.) es una luz compuesta por una superposición de todos los colores, es decir, una onda electromagnética caótica que se propaga en todas las direcciones. No es una onda con una longitud regular y coherente, sino más bien un chapoteo desordenado en la superficie del agua.

La luz láser (Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación) es una luz natural despojada de todos los colores excepto uno.

Aunque es posible fabricar láseres de varios colores y que vayan en varias direcciones al mismo tiempo, el láser más común y eficiente es el láser monocromático y unidireccional. La luz láser es azul, verde o roja, es decir, compuesta de un solo color (color primario). Todos los demás colores son mezclas de colores (colores secundarios). Ej.: una zanahoria absorbe el azul, por lo que su color es una mezcla sutil de todos los colores excepto el azul.

Es la duración del ciclo óptico (período y frecuencia) lo que determina el color de la radiación láser. La luz láser es ordenada y puede propagarse en línea recta sin deformación sobre grandes distancias siempre que se amplifique.

La imagen que se puede retener de una luz láser en comparación con una luz natural es la de un regimiento que marcha al paso en contraste con una multitud que se mueve de manera desordenada.

Luz Estimulada

La luz estimulada es una amplificación obtenida por la emisión de dos fotones a partir de la energía de un solo fotón. Así, la luz láser será estimulada de manera que sea fácilmente manipulable.

Gracias a espejos, se puede propagar donde se quiera, tan lejos como se quiera, y aumentar la potencia como se desee. Ejemplos notables son las estrellas guía láser utilizadas para ajustar las observaciones astronómicas o el láser megajulio más potente del mundo, para probar la fusión nuclear.

N.B.: Según las ecuaciones de James Clerk Maxwell (1831-1879), la luz es una onda electromagnética transversal auto-propagante con componentes eléctricos y magnéticos donde los campos eléctricos y magnéticos oscilan en ángulo recto entre sí y se propagan perpendicularmente a la dirección en la que se mueven indefinidamente a menos que sean absorbidos por la materia intermedia. En otras palabras, cada tipo de campo - eléctrico y magnético - genera el otro para propagar toda la estructura compuesta en el espacio vacío a la velocidad finita de la luz.

Usos de la Luz Láser

La luz láser no solo se usa para decorar salas de espectáculos. Los usos de los láseres son numerosos, van desde diodos de muy baja potencia (0.000001 vatio) presentes en los lectores ópticos hasta el láser megajulio (10¹⁵ vatios) diseñado para experimentar con la fusión nuclear controlada.

La luz láser ha invadido nuestra vida cotidiana. Se encuentra en los supermercados (lectura de códigos de barras), en la informática (lectura de DVD, Blu-ray, impresora láser), en el transporte de información (fibra óptica), en las mediciones de precisión en física (distancia Tierra/Luna, fotografía de átomos), en la industria (telémetro láser, radar, corte láser, soldadura, grabado), en la medicina (cirugía ocular, dermatología, bisturí láser), en la defensa (simulación de armas nucleares), en la investigación (fusión controlada del plasma), en la astronomía (telemetría láser en satélites, óptica adaptativa con estrella guía láser).

También producimos láseres coherentes invisibles a partir de microondas (fuera del espectro visible), conocidos como máseres. Estos dispositivos se utilizan ampliamente en diversos campos avanzados como la interferometría, la metrología y los relojes atómicos. Los máseres juegan un papel crucial en estas aplicaciones debido a su capacidad para generar ondas electromagnéticas extremadamente estables y precisas, esenciales para mediciones de alta precisión y aplicaciones temporales avanzadas.

Potencia del Láser

Para aumentar la potencia, también producimos láseres pulsados.

Estos láseres emiten luz de manera intermitente, lo que permite observar fenómenos físicos extremadamente rápidos. Al emitir destellos de luz ultra-breves, es posible capturar imágenes ultra-breves de objetos en movimiento rápido. El láser femtosegundo, por ejemplo, funciona como un estroboscopio, permitiendo tomar instantáneas fotográficas con un tiempo de exposición extremadamente corto. Para ello, es necesario iluminar muy intensamente.

La ventaja de los láseres pulsados radica en su capacidad para concentrar la luz y aumentar su potencia durante un período extremadamente corto. Cuanto más corta sea la duración del destello, mayor será la potencia.

En un attosegundo (10^-18 segundo), la luz recorre el diámetro de un átomo, mientras que en un segundo recorre la distancia Tierra/Luna. Esta duración ultra-corta está adaptada a los movimientos de las moléculas en la materia e incluso a los movimientos de los electrones en los átomos. Con el láser femtosegundo, se pueden alcanzar potencias pico elevadas (hasta 100 julios por pulso) como en los grandes sistemas petavatio. Diversas aplicaciones utilizan todas o parte de estas propiedades únicas de la luz (investigación, industria, campo biomédico). A partir del láser attosegundo, es posible fotografiar las nubes electrónicas alrededor de sus núcleos atómicos. Al dar forma a pulsos de luz tanto ultra-intensos como ultra-cortos, se puede penetrar en el corazón de la materia.

Nube Electrónica Capturada por Láser Attosegundo

En esta secuencia de imágenes, se puede ver la estructura característica de la orbital de la molécula de nitrógeno N2. La primera imagen es la imagen calculada, la segunda es la imagen reconstruida experimentalmente y la tercera imagen es reconstruida teóricamente.

Relación entre la Potencia y la Duración del Destello Láser

Relación entre la potencia y la duración del destello de los láseres pulsados.

E=Pt o Potencia = \(\frac{\text{Energía}}{\text{Tiempo}}\)

Si se concentra 1 julio en 1 segundo, se obtiene 1 vatio, 1 J en 1 ms da 1 kilovatio, 1 J en 1 µs da 1 megavatio, etc.