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Un láser es un dispositivo que emite luz mediante un proceso de amplificación óptica basado en la emisión estimulada de radiación electromagnética . La palabra láser es un anacrónimo que se originó como acrónimo de amplificación de luz por emisión estimulada de radiación . [1] [2] El primer láser fue construido en 1960 por Theodore Maiman en Hughes Research Laboratories , basándose en el trabajo teórico de Charles H. Townes y Arthur Leonard Schawlow . [3]
Un láser se diferencia de otras fuentes de luz en que emite luz coherente . La coherencia espacial permite que un láser se enfoque en un punto estrecho, lo que posibilita aplicaciones como la comunicación óptica, [4] el corte por láser y la litografía . También permite que un haz láser se mantenga estrecho a grandes distancias ( colimación ), una característica utilizada en aplicaciones como punteros láser , lidar y comunicación óptica en espacio libre . Los láseres también pueden tener una alta coherencia temporal , lo que les permite emitir luz con un espectro de frecuencia muy estrecho . La coherencia temporal también se puede utilizar para producir pulsos de luz ultracortos con un espectro amplio pero con duraciones tan cortas como un femtosegundo .
Los láseres se utilizan en unidades de discos ópticos , impresoras láser , lectores de códigos de barras , instrumentos de secuenciación de ADN , comunicaciones ópticas de fibra óptica y de espacio libre, fabricación de chips semiconductores ( fotolitografía , grabado ), cirugía láser y tratamientos de la piel, materiales de corte y soldadura , dispositivos militares y de aplicación de la ley para marcar objetivos y medir el alcance y la velocidad, y en pantallas de iluminación láser para entretenimiento. Los láseres semiconductores en el azul a casi ultravioleta también se han utilizado en lugar de diodos emisores de luz (LED) para excitar la fluorescencia como una fuente de luz blanca; esto permite un área de emisión mucho más pequeña debido a la radiancia mucho mayor de un láser y evita la caída que sufren los LED; dichos dispositivos ya se utilizan en algunos faros de automóviles . [5] [6] [7] [8]
El primer dispositivo que utilizaba amplificación por emisión estimulada operaba en frecuencias de microondas , y se llamaba máser , por "amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación". [9] Cuando se desarrollaron dispositivos ópticos similares , primero se los llamó máseres ópticos , hasta que "microondas" fue reemplazado por "luz" en el acrónimo, para convertirse en láser . [10] [11] [12]
Hoy en día, todos los dispositivos que funcionan en frecuencias superiores a las microondas (aproximadamente por encima de 300 GHz ) se denominan láseres (por ejemplo, láseres infrarrojos , láseres ultravioleta , láseres de rayos X , láseres de rayos gamma ), mientras que los dispositivos que funcionan en microondas o frecuencias de radio inferiores se denominan máseres. [13] [14]
El verbo "to lase" (emitir luz coherente ) se utiliza con frecuencia en este campo, y significa "emitir luz coherente", especialmente en relación con el medio de ganancia de un láser; [15] cuando un láser está en funcionamiento, se dice que está "emitiendo luz láser". [16] Los términos láser y máser también se utilizan para las emisiones coherentes que se producen de forma natural, como en el caso del máser astrofísico y el láser atómico . [17] [18]
Un láser que produce luz por sí mismo es técnicamente un oscilador óptico en lugar de un amplificador óptico como lo sugiere el acrónimo. [19] Se ha señalado con humor que el acrónimo LOSER, por "oscilación de luz por emisión estimulada de radiación", habría sido más correcto. [18] Con el uso generalizado del acrónimo original como un nombre común, los amplificadores ópticos han llegado a denominarse amplificadores láser . [20]
La física moderna describe la luz y otras formas de radiación electromagnética como el comportamiento grupal de partículas fundamentales conocidas como fotones . Los fotones se liberan y se absorben a través de interacciones electromagnéticas con otras partículas fundamentales que llevan carga eléctrica . Una forma común de liberar fotones es calentar un objeto; parte de la energía térmica que se aplica al objeto hará que las moléculas y los electrones dentro del objeto ganen energía, que luego se pierde a través de la radiación térmica , que vemos como luz. Este es el proceso que hace que la llama de una vela emita luz.
La radiación térmica es un proceso aleatorio, por lo que los fotones emitidos tienen un rango de longitudes de onda diferentes , viajan en direcciones diferentes y se liberan en momentos diferentes. Sin embargo, la energía dentro del objeto no es aleatoria: se almacena en átomos y moléculas en " estados excitados ", que liberan fotones con longitudes de onda distintas. Esto da lugar a la ciencia de la espectroscopia , que permite determinar los materiales a través de las longitudes de onda específicas que emiten.
El proceso físico subyacente que crea fotones en un láser es el mismo que en la radiación térmica, pero la emisión real no es el resultado de procesos térmicos aleatorios. En cambio, la liberación de un fotón se desencadena por el paso cercano de otro fotón. Esto se llama emisión estimulada . Para que este proceso funcione, el fotón que pasa debe ser similar en energía, y por lo tanto en longitud de onda, al que podría ser liberado por el átomo o la molécula, y el átomo o la molécula deben estar en el estado excitado adecuado.
El fotón que se emite por emisión estimulada es idéntico al fotón que desencadenó su emisión, y ambos fotones pueden continuar desencadenando la emisión estimulada en otros átomos, creando la posibilidad de una reacción en cadena . Para que esto suceda, muchos de los átomos o moléculas deben estar en el estado excitado adecuado para que los fotones puedan desencadenarlos. En la mayoría de los materiales, los átomos o moléculas abandonan los estados excitados con bastante rapidez, lo que dificulta o imposibilita la producción de una reacción en cadena. Los materiales elegidos para los láseres son los que tienen estados metaestables , que permanecen excitados durante un tiempo relativamente largo. En física láser , un material de este tipo se denomina medio láser activo . Combinado con una fuente de energía que continúa "bombeando" energía al material, es posible tener suficientes átomos o moléculas en un estado excitado para que se desarrolle una reacción en cadena.
Los láseres se distinguen de otras fuentes de luz por su coherencia . La coherencia espacial (o transversal) se expresa típicamente a través de la salida, que es un haz estrecho, que está limitado por difracción . Los rayos láser se pueden enfocar en puntos muy pequeños, logrando una irradiancia muy alta , o pueden tener una divergencia muy baja para concentrar su potencia a una gran distancia. La coherencia temporal (o longitudinal) implica una onda polarizada en una sola frecuencia, cuya fase está correlacionada en una distancia relativamente grande (la longitud de coherencia ) a lo largo del haz. [21] [ página necesaria ] Un haz producido por una fuente de luz térmica u otra fuente de luz incoherente tiene una amplitud y fase instantáneas que varían aleatoriamente con respecto al tiempo y la posición, por lo que tiene una longitud de coherencia corta.
Los láseres se caracterizan según su longitud de onda en el vacío . La mayoría de los láseres de "longitud de onda única" producen radiación en varios modos con longitudes de onda ligeramente diferentes. Aunque la coherencia temporal implica cierto grado de monocromaticidad , algunos láseres emiten un amplio espectro de luz o emiten diferentes longitudes de onda de luz simultáneamente. Ciertos láseres no son de modo espacial único y tienen haces de luz que divergen más de lo requerido por el límite de difracción . Todos estos dispositivos se clasifican como "láseres" según el método de producción de luz por emisión estimulada. Los láseres se emplean cuando no se puede producir luz de la coherencia espacial o temporal requerida utilizando tecnologías más simples.
Un láser consta de un medio de ganancia , un mecanismo para energizarlo y algo que proporciona retroalimentación óptica . [22] El medio de ganancia es un material con propiedades que le permiten amplificar la luz mediante emisión estimulada. La luz de una longitud de onda específica que pasa a través del medio de ganancia se amplifica (aumenta la potencia). La retroalimentación permite que la emisión estimulada amplifique predominantemente la frecuencia óptica en el pico de la curva de ganancia-frecuencia. A medida que aumenta la emisión estimulada, eventualmente una frecuencia domina sobre todas las demás, lo que significa que se ha formado un haz coherente. [23]
El proceso de emisión estimulada es análogo al de un oscilador de audio con retroalimentación positiva que puede ocurrir, por ejemplo, cuando el altavoz de un sistema de megafonía se coloca cerca del micrófono. El chirrido que se oye es una oscilación de audio en el pico de la curva de ganancia-frecuencia del amplificador. [24] [ página necesaria ]
Para que el medio de amplificación amplifique la luz, se le debe suministrar energía en un proceso llamado bombeo . La energía se suministra normalmente como corriente eléctrica o como luz en una longitud de onda diferente. La luz de bombeo puede ser proporcionada por una lámpara de destellos o por otro láser.
El tipo más común de láser utiliza la retroalimentación de una cavidad óptica (un par de espejos en cada extremo del medio de ganancia). La luz rebota de un lado a otro entre los espejos, pasando a través del medio de ganancia y siendo amplificada cada vez. Normalmente, uno de los dos espejos, el acoplador de salida , es parcialmente transparente. Parte de la luz escapa a través de este espejo. Dependiendo del diseño de la cavidad (si los espejos son planos o curvos ), la luz que sale del láser puede extenderse o formar un haz estrecho . En analogía con los osciladores electrónicos , este dispositivo a veces se llama oscilador láser .
La mayoría de los láseres prácticos contienen elementos adicionales que afectan las propiedades de la luz emitida, como la polarización, la longitud de onda y la forma del haz. [ cita requerida ]
Los electrones y cómo interactúan con los campos electromagnéticos son importantes para nuestra comprensión de la química y la física .
En la visión clásica , la energía de un electrón que orbita alrededor de un núcleo atómico es mayor para las órbitas más alejadas del núcleo de un átomo . Sin embargo, los efectos de la mecánica cuántica obligan a los electrones a adoptar posiciones discretas en los orbitales . Por lo tanto, los electrones se encuentran en niveles de energía específicos de un átomo, dos de los cuales se muestran a continuación:
Un electrón en un átomo puede absorber energía de la luz ( fotones ) o del calor ( fonones ) solo si hay una transición entre niveles de energía que coincidan con la energía transportada por el fotón o el fonón. Para la luz, esto significa que cualquier transición dada solo absorberá una longitud de onda particular de luz. Los fotones con la longitud de onda correcta pueden hacer que un electrón salte del nivel de energía más bajo al más alto. El fotón se consume en este proceso.
Cuando un electrón se excita de un estado a otro de un nivel de energía superior con una diferencia de energía ΔE, no permanecerá así para siempre. Finalmente, se creará espontáneamente un fotón a partir del vacío con energía ΔE. Conservando la energía, el electrón pasa a un nivel de energía inferior que no está ocupado, y las transiciones a diferentes niveles tienen constantes de tiempo diferentes. Este proceso se denomina emisión espontánea . La emisión espontánea es un efecto mecánico cuántico y una manifestación física directa del principio de incertidumbre de Heisenberg . El fotón emitido tiene una dirección aleatoria, pero su longitud de onda coincide con la longitud de onda de absorción de la transición. Este es el mecanismo de fluorescencia y emisión térmica .
Un fotón con la longitud de onda correcta para ser absorbido por una transición también puede hacer que un electrón caiga del nivel superior al inferior, emitiendo un nuevo fotón. El fotón emitido coincide exactamente con el fotón original en longitud de onda, fase y dirección. Este proceso se denomina emisión estimulada.
El medio de ganancia se pone en un estado excitado por una fuente externa de energía. En la mayoría de los láseres, este medio consiste en una población de átomos que han sido excitados a tal estado utilizando una fuente de luz externa o un campo eléctrico que suministra energía para que los átomos la absorban y se transformen en sus estados excitados.
El medio de ganancia de un láser es normalmente un material de pureza, tamaño, concentración y forma controlados, que amplifica el haz mediante el proceso de emisión estimulada descrito anteriormente. Este material puede estar en cualquier estado : gas, líquido, sólido o plasma . El medio de ganancia absorbe energía de bombeo, lo que eleva algunos electrones a estados cuánticos de mayor energía (" excitados ") . Las partículas pueden interactuar con la luz absorbiendo o emitiendo fotones. La emisión puede ser espontánea o estimulada. En el último caso, el fotón se emite en la misma dirección que la luz que pasa. Cuando el número de partículas en un estado excitado excede el número de partículas en algún estado de menor energía, se logra la inversión de población . En este estado, la tasa de emisión estimulada es mayor que la tasa de absorción de luz en el medio y, por lo tanto, la luz se amplifica. Un sistema con esta propiedad se llama amplificador óptico . Cuando un amplificador óptico se coloca dentro de una cavidad óptica resonante, se obtiene un láser. [25]
En el caso de medios láser con una ganancia extremadamente alta, la llamada superluminiscencia , la luz se puede amplificar lo suficiente en un solo paso a través del medio de ganancia sin necesidad de un resonador. Aunque a menudo se hace referencia a ellos como láseres (véase, por ejemplo, láser de nitrógeno ), [26] la salida de luz de un dispositivo de este tipo carece de la coherencia espacial y temporal que se puede lograr con los láseres. Un dispositivo de este tipo no se puede describir como un oscilador, sino como un amplificador óptico de alta ganancia que amplifica su emisión espontánea. El mismo mecanismo describe los llamados máseres /láseres astrofísicos.
El resonador óptico a veces se denomina "cavidad óptica", pero este es un nombre inapropiado: los láseres utilizan resonadores abiertos en lugar de la cavidad literal que se emplearía en frecuencias de microondas en un máser . El resonador generalmente consta de dos espejos entre los cuales viaja un haz coherente de luz en ambas direcciones, reflejándose sobre sí mismo de modo que un fotón promedio pasará a través del medio de ganancia repetidamente antes de ser emitido desde la abertura de salida o perderse por difracción o absorción. Si la ganancia (amplificación) en el medio es mayor que las pérdidas del resonador, entonces la potencia de la luz recirculante puede aumentar exponencialmente . Pero cada evento de emisión estimulada devuelve un átomo de su estado excitado al estado fundamental, lo que reduce la ganancia del medio. Con el aumento de la potencia del haz, la ganancia neta (ganancia menos pérdida) se reduce a la unidad y se dice que el medio de ganancia está saturado. En un láser de onda continua (CW), el equilibrio de la potencia de bombeo contra la saturación de la ganancia y las pérdidas de la cavidad produce un valor de equilibrio de la potencia del láser dentro de la cavidad; Este equilibrio determina el punto de funcionamiento del láser. Si la potencia de bombeo aplicada es demasiado pequeña, la ganancia nunca será suficiente para superar las pérdidas de la cavidad y no se producirá luz láser. La potencia de bombeo mínima necesaria para iniciar la acción del láser se denomina umbral láser . El medio de ganancia amplificará cualquier fotón que pase a través de él, independientemente de la dirección; pero solo los fotones en un modo espacial soportado por el resonador pasarán más de una vez a través del medio y recibirán una amplificación sustancial.
En la mayoría de los láseres, la emisión láser comienza con una emisión espontánea en el modo láser. Esta luz inicial se amplifica luego mediante una emisión estimulada en el medio de ganancia. La emisión estimulada produce una luz que coincide con la señal de entrada en dirección, longitud de onda y polarización, mientras que la fase de la luz emitida está 90 grados adelantada a la luz estimulante. [27] Esto, combinado con el efecto de filtrado del resonador óptico, le da a la luz láser su coherencia característica y puede darle una polarización y monocromaticidad uniformes, dependiendo del diseño del resonador. El ancho de línea láser fundamental [28] de la luz emitida desde el resonador láser puede ser órdenes de magnitud más estrecho que el ancho de línea de la luz emitida desde el resonador pasivo. Algunos láseres utilizan un sembrador de inyección independiente para iniciar el proceso con un haz que ya es altamente coherente. Esto puede producir haces con un espectro más estrecho del que sería posible de otra manera.
En 1963, Roy J. Glauber demostró que los estados coherentes se forman a partir de combinaciones de estados de números de fotones , por lo que recibió el Premio Nobel de Física . [29] Un haz de luz coherente está formado por estados de fotones cuánticos de frecuencia única distribuidos según una distribución de Poisson . Como resultado, la tasa de llegada de fotones en un haz láser se describe mediante estadísticas de Poisson. [30]
Muchos láseres producen un haz que puede aproximarse como un haz gaussiano ; dichos haces tienen la mínima divergencia posible para un diámetro de haz dado. Algunos láseres, particularmente los de alta potencia, producen haces multimodo, con modos transversales que a menudo se aproximan utilizando funciones Hermite - Gaussianas o Laguerre -Gaussianas. Algunos láseres de alta potencia utilizan un perfil de parte superior plana conocido como " haz tophat ". Los resonadores láser inestables (no utilizados en la mayoría de los láseres) producen haces con forma fractal. [31] Los sistemas ópticos especializados pueden producir geometrías de haz más complejas, como haces de Bessel y vórtices ópticos .
Cerca de la "cintura" (o región focal ) de un rayo láser, este está altamente colimado : los frentes de onda son planos, normales a la dirección de propagación, sin divergencia del rayo en ese punto. Sin embargo, debido a la difracción , esto solo puede seguir siendo así dentro del rango de Rayleigh . El rayo de un láser de modo transversal único (rayo gaussiano) eventualmente diverge en un ángulo que varía inversamente con el diámetro del rayo, como lo requiere la teoría de la difracción . Por lo tanto, el "rayo de lápiz" generado directamente por un láser de helio-neón común se extendería hasta un tamaño de quizás 500 kilómetros cuando brillara sobre la Luna (desde la distancia de la Tierra). Por otro lado, la luz de un láser semiconductor generalmente sale del diminuto cristal con una gran divergencia: hasta 50°. Sin embargo, incluso un rayo tan divergente puede transformarse en un rayo colimado de manera similar empleando un sistema de lentes , como siempre se incluye, por ejemplo, en un puntero láser cuya luz se origina a partir de un diodo láser . Esto es posible gracias a que la luz tiene un único modo espacial. Esta propiedad única de la luz láser, la coherencia espacial , no se puede reproducir utilizando fuentes de luz estándar (excepto descartando la mayor parte de la luz), como se puede apreciar al comparar el haz de una linterna o foco con el de casi cualquier láser.
Un perfilador de haz láser se utiliza para medir el perfil de intensidad, el ancho y la divergencia de los rayos láser.
La reflexión difusa de un rayo láser desde una superficie mate produce un patrón moteado con propiedades interesantes.
El mecanismo de producción de radiación en un láser se basa en la emisión estimulada , donde la energía se extrae de una transición en un átomo o molécula. Este es un fenómeno cuántico que fue predicho por Albert Einstein , quien dedujo la relación entre el coeficiente A , que describe la emisión espontánea, y el coeficiente B que se aplica a la absorción y la emisión estimulada. En el caso del láser de electrones libres , los niveles de energía atómica no están involucrados; parece que el funcionamiento de este dispositivo bastante exótico se puede explicar sin referencia a la mecánica cuántica .
Un láser puede clasificarse como que funciona en modo continuo o pulsado, dependiendo de si la potencia de salida es esencialmente continua en el tiempo o si su salida toma la forma de pulsos de luz en una u otra escala de tiempo. Por supuesto, incluso un láser cuya salida es normalmente continua puede encenderse y apagarse intencionalmente a cierta velocidad para crear pulsos de luz. Cuando la velocidad de modulación está en escalas de tiempo mucho más lentas que la vida útil de la cavidad y el período durante el cual la energía puede almacenarse en el medio láser o el mecanismo de bombeo, entonces todavía se clasifica como un láser de onda continua "modulado" o "pulsado". La mayoría de los diodos láser utilizados en los sistemas de comunicación entran en esa categoría.
Algunas aplicaciones de los láseres dependen de un haz cuya potencia de salida es constante en el tiempo. Este tipo de láser se conoce como láser de onda continua ( CW ). Muchos tipos de láseres pueden funcionar en modo de onda continua para satisfacer esta aplicación. Muchos de estos láseres funcionan en varios modos longitudinales al mismo tiempo, y las oscilaciones entre las frecuencias ópticas ligeramente diferentes de esas oscilaciones producirán variaciones de amplitud en escalas de tiempo más cortas que el tiempo de ida y vuelta (el recíproco del espaciamiento de frecuencia entre modos), normalmente unos pocos nanosegundos o menos. En la mayoría de los casos, estos láseres todavía se denominan "de onda continua", ya que su potencia de salida es constante cuando se promedia durante períodos más largos, y las variaciones de potencia de muy alta frecuencia tienen poco o ningún impacto en la aplicación prevista. (Sin embargo, el término no se aplica a los láseres de modo bloqueado , donde la intención es crear pulsos muy cortos a la velocidad del tiempo de ida y vuelta).
Para el funcionamiento en onda continua, la inversión de población del medio de ganancia debe ser repuesta continuamente por una fuente de bombeo constante. En algunos medios láser, esto es imposible. En otros láseres, se requeriría bombear el láser a un nivel de potencia continua muy alto, lo que sería poco práctico, o destruir el láser al producir calor excesivo. Estos láseres no pueden funcionar en modo CW.
El funcionamiento pulsado de los láseres se refiere a cualquier láser que no esté clasificado como una onda continua, de modo que la potencia óptica aparece en pulsos de cierta duración a una cierta frecuencia de repetición. Esto abarca una amplia gama de tecnologías que abordan muchas motivaciones diferentes. Algunos láseres son pulsados simplemente porque no pueden funcionar en modo continuo.
En otros casos, la aplicación requiere la producción de pulsos con la mayor energía posible. Dado que la energía del pulso es igual a la potencia media dividida por la frecuencia de repetición, este objetivo a veces se puede satisfacer reduciendo la frecuencia de los pulsos para que se pueda acumular más energía entre pulsos. En la ablación láser , por ejemplo, un pequeño volumen de material en la superficie de una pieza de trabajo se puede evaporar si se calienta en un tiempo muy corto, mientras que el suministro de energía de forma gradual permitiría que el calor se absorbiera en la mayor parte de la pieza, sin alcanzar nunca una temperatura suficientemente alta en un punto determinado.
Otras aplicaciones dependen de la potencia pico del pulso (en lugar de la energía del pulso), especialmente para obtener efectos ópticos no lineales . Para una energía de pulso dada, esto requiere crear pulsos de la duración más corta posible utilizando técnicas como Q-switching .
El ancho de banda óptico de un pulso no puede ser menor que el inverso del ancho del pulso. En el caso de pulsos extremadamente cortos, esto implica la emisión de láser en un ancho de banda considerable, al contrario de los anchos de banda muy estrechos típicos de los láseres de onda continua. El medio de emisión de láser en algunos láseres de colorante y láseres de estado sólido vibrónicos produce una ganancia óptica en un ancho de banda amplio, lo que hace posible un láser que puede generar pulsos de luz tan cortos como unos pocos femtosegundos (10 −15 s).
En un láser conmutado por Q, se permite que la inversión de población se acumule introduciendo una pérdida dentro del resonador que excede la ganancia del medio; esto también se puede describir como una reducción del factor de calidad o "Q" de la cavidad. Luego, una vez que la energía de bombeo almacenada en el medio láser se ha acercado al nivel máximo posible, el mecanismo de pérdida introducido (a menudo un elemento electroóptico o acústico) se elimina rápidamente (o eso ocurre por sí solo en un dispositivo pasivo), lo que permite que comience la acción del láser, que obtiene rápidamente la energía almacenada en el medio de ganancia. Esto da como resultado un pulso corto que incorpora esa energía y, por lo tanto, una alta potencia de pico.
Un láser bloqueado por modo es capaz de emitir pulsos extremadamente cortos del orden de decenas de picosegundos hasta menos de 10 femtosegundos . Estos pulsos se repiten en el tiempo de ida y vuelta, es decir, el tiempo que tarda la luz en completar un viaje de ida y vuelta entre los espejos que componen el resonador. Debido al límite de Fourier (también conocido como incertidumbre de energía-tiempo ), un pulso de una longitud temporal tan corta tiene un espectro distribuido en un ancho de banda considerable. Por lo tanto, un medio de ganancia de este tipo debe tener un ancho de banda de ganancia lo suficientemente amplio como para amplificar esas frecuencias. Un ejemplo de un material adecuado es el zafiro artificial dopado con titanio ( Ti:zafiro ), que tiene un ancho de banda de ganancia muy amplio y, por lo tanto, puede producir pulsos de solo unos pocos femtosegundos de duración.
Estos láseres bloqueados por modo son una herramienta muy versátil para investigar procesos que ocurren en escalas de tiempo extremadamente cortas (conocidos como física de femtosegundos, química de femtosegundos y ciencia ultrarrápida ), para maximizar el efecto de la no linealidad en materiales ópticos (por ejemplo, en generación de segundo armónico , conversión descendente paramétrica , osciladores paramétricos ópticos y similares). A diferencia del pulso gigante de un láser conmutado Q, los pulsos consecutivos de un láser bloqueado por modo son coherentes en fase; es decir, los pulsos (y no solo sus envolventes ) son idénticos y perfectamente periódicos. Por esta razón, y las potencias pico extremadamente grandes alcanzadas por pulsos tan cortos, estos láseres son invaluables en ciertas áreas de investigación.
Otro método para lograr el funcionamiento del láser pulsado es bombear el material láser con una fuente que sea a su vez pulsada, ya sea mediante carga electrónica en el caso de las lámparas de destellos, u otro láser que ya sea pulsado. El bombeo pulsado se utilizó históricamente con láseres de colorante donde la vida útil de población invertida de una molécula de colorante era tan corta que se necesitaba un bombeo rápido de alta energía. La forma de superar este problema era cargar grandes condensadores que luego se conmutaban para que se descargaran a través de lámparas de destellos, produciendo un destello intenso. El bombeo pulsado también es necesario para láseres de tres niveles en los que el nivel de energía más bajo se llena rápidamente, lo que impide que se produzcan más láseres hasta que esos átomos se relajan al estado fundamental. Estos láseres, como el láser excimer y el láser de vapor de cobre, nunca pueden funcionar en modo CW.
En 1917, Albert Einstein estableció las bases teóricas para el láser y el máser en el artículo " Zur Quantentheorie der Strahlung " ("Sobre la teoría cuántica de la radiación") a través de una derivación de la ley de radiación de Max Planck , basada conceptualmente en coeficientes de probabilidad ( coeficientes de Einstein ) para la absorción, emisión espontánea y emisión estimulada de radiación electromagnética. [32] En 1928, Rudolf W. Ladenburg confirmó la existencia de los fenómenos de emisión estimulada y absorción negativa. [33] [ página necesaria ] En 1939, Valentin A. Fabrikant predijo el uso de emisión estimulada para amplificar ondas "cortas". [34] En 1947, Willis E. Lamb y R. C. Retherford encontraron emisión estimulada aparente en espectros de hidrógeno y efectuaron la primera demostración de emisión estimulada. [33] [ página necesaria ] En 1950, Alfred Kastler (Premio Nobel de Física 1966) propuso el método de bombeo óptico , que fue demostrado experimentalmente dos años más tarde por Brossel, Kastler y Winter. [35]
En 1951, Joseph Weber presentó un artículo sobre el uso de emisiones estimuladas para construir un amplificador de microondas en la Conferencia de Investigación de Tubos de Vacío del Instituto de Ingenieros de Radio de junio de 1952 en Ottawa , Ontario, Canadá. [36] Después de esta presentación, la RCA le pidió a Weber que diera un seminario sobre esta idea, y Charles H. Townes le pidió una copia del artículo. [37]
En 1953, Charles H. Townes y los estudiantes de posgrado James P. Gordon y Herbert J. Zeiger produjeron el primer amplificador de microondas, un dispositivo que funcionaba con principios similares al láser, pero que amplificaba la radiación de microondas en lugar de la radiación infrarroja o visible. El máser de Townes no era capaz de producir una salida continua. [38] Mientras tanto, en la Unión Soviética, Nikolay Basov y Aleksandr Prokhorov trabajaban de forma independiente en el oscilador cuántico y resolvieron el problema de los sistemas de salida continua utilizando más de dos niveles de energía. Estos medios de ganancia podían liberar emisiones estimuladas entre un estado excitado y un estado excitado inferior, no el estado fundamental, lo que facilitaba el mantenimiento de una inversión de población . En 1955, Prokhorov y Basov sugirieron el bombeo óptico de un sistema de varios niveles como método para obtener la inversión de población, que más tarde se convirtió en un método principal de bombeo láser.
Townes informa que varios físicos eminentes, entre ellos Niels Bohr , John von Neumann y Llewellyn Thomas, argumentaron que el máser violaba el principio de incertidumbre de Heisenberg y, por lo tanto, no podía funcionar. Otros, como Isidor Rabi y Polykarp Kusch, esperaban que fuera poco práctico y que no valiera la pena el esfuerzo. [39] En 1964, Charles H. Townes, Nikolay Basov y Aleksandr Prokhorov compartieron el Premio Nobel de Física , "por el trabajo fundamental en el campo de la electrónica cuántica, que ha llevado a la construcción de osciladores y amplificadores basados en el principio máser-láser".
En abril de 1957, el ingeniero japonés Jun-ichi Nishizawa propuso el concepto de un " máser óptico semiconductor " en una solicitud de patente. [40]
Ese mismo año, Charles H. Townes y Arthur Leonard Schawlow, entonces en Bell Labs , comenzaron un estudio serio de los "máseres ópticos" infrarrojos. A medida que se desarrollaban las ideas, abandonaron la radiación infrarroja para concentrarse en cambio en la luz visible . En 1958, Bell Labs presentó una solicitud de patente para su máser óptico propuesto; y Schawlow y Townes presentaron un manuscrito de sus cálculos teóricos a la Physical Review , que se publicó en 1958. [41]
Simultáneamente, el estudiante de posgrado de la Universidad de Columbia, Gordon Gould, estaba trabajando en una tesis doctoral sobre los niveles de energía del talio excitado . Cuando Gould y Townes se conocieron, hablaron de emisión de radiación , como un tema general; después, en noviembre de 1957, Gould anotó sus ideas sobre cómo se podría hacer un "láser", incluido el uso de un resonador abierto (un componente esencial de los dispositivos láser). En 1958, Prokhorov propuso de forma independiente el uso de un resonador abierto, la primera aparición publicada de esta idea. En el mismo año, Bell Labs presentó una solicitud de patente para su propuesta de máser óptico, y Schawlow y Townes presentaron un manuscrito de sus cálculos teóricos a la Physical Review , que se publicó en 1958. [42] [43] [44] [45]
En una conferencia en 1959, Gordon Gould publicó por primera vez el acrónimo "LASER" en el artículo The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation . [46] [18] La intención de Gould era que se utilizaran diferentes acrónimos "-ASER" para diferentes partes del espectro: "XASER" para rayos X, "UVASER" para ultravioleta, "RASER" para ondas de radio, etc. En cambio, el término "LASER" terminó utilizándose para todos los dispositivos que operan en longitudes de onda más cortas que las microondas.
Las notas de Gould incluían posibles aplicaciones para un láser, como telecomunicaciones ópticas, espectrometría , interferometría , radar y fusión nuclear . Continuó desarrollando la idea y presentó una solicitud de patente en abril de 1959. La Oficina de Patentes y Marcas de los Estados Unidos (USPTO) rechazó su solicitud y otorgó una patente a Bell Labs en 1960. Eso provocó un juicio de veintiocho años , en el que el prestigio científico y el dinero estaban en juego. Gould ganó su primera patente menor en 1977, pero no fue hasta 1987 que ganó la primera victoria significativa en un juicio de patentes cuando un juez federal ordenó a la USPTO que otorgara patentes a Gould para los dispositivos láser de descarga de gas y bombeados ópticamente . La cuestión de cómo asignar el crédito por la invención del láser sigue sin resolverse por los historiadores. [47]
El 16 de mayo de 1960, Theodore H. Maiman operó el primer láser funcional [48] [49] en Hughes Research Laboratories , Malibu, California, por delante de varios equipos de investigación, incluidos los de Townes, en la Universidad de Columbia , Arthur L. Schawlow , en Bell Labs , [50] [ página necesaria ] y Gould, en la empresa TRG (Technical Research Group). El láser funcional de Maiman usaba un cristal de rubí sintético bombeado por una lámpara de destello para producir luz láser roja a una longitud de onda de 694 nanómetros. El dispositivo solo era capaz de operar de forma pulsada, debido a su esquema de diseño de bombeo de tres niveles. Más tarde ese año, el físico iraní Ali Javan , y William R. Bennett Jr. , y Donald R. Herriott , construyeron el primer láser de gas , usando helio y neón que era capaz de operar de forma continua en el infrarrojo (Patente de EE. UU. 3.149.290); Más tarde, Javan recibió el Premio Mundial de Ciencias Albert Einstein en 1993. En 1962, Robert N. Hall demostró el primer láser semiconductor , que estaba hecho de arseniuro de galio y emitía en la banda cercana al infrarrojo del espectro a 850 nm. Más tarde ese año, Nick Holonyak Jr. demostró el primer láser semiconductor con una emisión visible. Este primer láser semiconductor solo podía usarse en operación de haz pulsado y cuando se enfriaba a temperaturas de nitrógeno líquido (77 K). En 1970, Zhores Alferov , en la URSS, e Izuo Hayashi y Morton Panish de Bell Labs también desarrollaron de forma independiente láseres de diodo de operación continua a temperatura ambiente, utilizando la estructura de heterojunción .
Desde los primeros tiempos de la historia del láser, la investigación sobre láser ha producido una variedad de tipos de láser mejorados y especializados, optimizados para diferentes objetivos de rendimiento, entre ellos:
y esta investigación continúa hasta el día de hoy.
En 2015, los investigadores crearon un láser blanco, cuya luz está modulada por una nanohoja sintética hecha de zinc, cadmio, azufre y selenio que puede emitir luz roja, verde y azul en proporciones variables, con cada longitud de onda abarcando 191 nm. [51] [52] [53]
En 2017, investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft demostraron un láser de microondas de unión Josephson de CA. [54] Dado que el láser opera en el régimen superconductor, es más estable que otros láseres basados en semiconductores. El dispositivo tiene potencial para aplicaciones en computación cuántica . [55] En 2017, investigadores de la Universidad Técnica de Múnich demostraron el láser de bloqueo de modo más pequeño capaz de emitir pares de pulsos láser de picosegundos bloqueados en fase con una frecuencia de repetición de hasta 200 GHz. [56]
En 2017, investigadores del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), junto con investigadores estadounidenses de JILA , un instituto conjunto del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder , establecieron un nuevo récord mundial al desarrollar un láser de fibra dopado con erbio con un ancho de línea de solo 10 milihercios. [57] [58]
Tras la invención del láser de gas HeNe, se ha descubierto que muchas otras descargas de gas amplifican la luz de forma coherente. Se han construido y utilizado láseres de gas que utilizan muchos gases diferentes para muchos fines. El láser de helio-neón (HeNe) puede funcionar en muchas longitudes de onda diferentes; sin embargo, la gran mayoría están diseñados para emitir láser a 633 nm; estos láseres de costo relativamente bajo pero altamente coherentes son extremadamente comunes en los laboratorios de investigación óptica y educativos. Los láseres comerciales de dióxido de carbono (CO 2 ) pueden emitir cientos de vatios en un solo modo espacial que se puede concentrar en un punto diminuto. Esta emisión se produce en el infrarrojo térmico a 10,6 μm; estos láseres se utilizan habitualmente en la industria para cortar y soldar. La eficiencia de un láser de CO 2 es inusualmente alta: más del 30 %. [59] Los láseres de iones de argón pueden funcionar en varias transiciones láser entre 351 y 528,7 nm. Dependiendo del diseño óptico, una o más de estas transiciones pueden emitir láser simultáneamente; Las líneas más comúnmente utilizadas son 458 nm, 488 nm y 514,5 nm. Un láser de descarga eléctrica transversal de nitrógeno en gas a presión atmosférica (TEA) es un láser de gas económico, a menudo construido en casa por aficionados, que produce luz UV bastante incoherente a 337,1 nm. [60] Los láseres de iones metálicos son láseres de gas que generan longitudes de onda ultravioleta profundas . Helio -plata (HeAg) 224 nm y neón -cobre (NeCu) 248 nm son dos ejemplos. Como todos los láseres de gas de baja presión, los medios de ganancia de estos láseres tienen anchos de línea de oscilación bastante estrechos , menos de 3 GHz (0,5 picómetros ), [61] lo que los convierte en candidatos para su uso en espectroscopia Raman con supresión de fluorescencia .
En 1992, varios equipos internacionales demostraron la emisión de láser sin mantener el medio excitado en una inversión de población en gas de sodio y nuevamente en 1995 en gas de rubidio . [62] [63] [ página necesaria ] Esto se logró utilizando un máser externo para inducir "transparencia óptica" en el medio introduciendo e interfiriendo destructivamente las transiciones de electrones de base entre dos caminos de modo que se canceló la probabilidad de que los electrones de base absorbieran energía.
Los láseres químicos funcionan mediante una reacción química que permite liberar rápidamente una gran cantidad de energía. Estos láseres de muy alta potencia son especialmente interesantes para el ámbito militar; sin embargo, se han desarrollado láseres químicos de onda continua a niveles de potencia muy altos, alimentados por corrientes de gases, que tienen algunas aplicaciones industriales. Como ejemplos, en el láser de fluoruro de hidrógeno (2700–2900 nm) y el láser de fluoruro de deuterio (3800 nm) la reacción es la combinación de gas hidrógeno o deuterio con productos de combustión de etileno en trifluoruro de nitrógeno .
Los láseres excimer son un tipo especial de láser de gas alimentado por una descarga eléctrica en el que el medio láser es un excimer , o más precisamente un exciplex en los diseños existentes. Se trata de moléculas que solo pueden existir con un átomo en un estado electrónico excitado . Una vez que la molécula transfiere su energía de excitación a un fotón, sus átomos ya no están unidos entre sí y la molécula se desintegra. Esto reduce drásticamente la población del estado de energía más bajo, lo que facilita enormemente una inversión de población. Los excimers que se utilizan actualmente son todos compuestos de gases nobles ; los gases nobles son químicamente inertes y solo pueden formar compuestos mientras están en un estado excitado. Los láseres excimer suelen funcionar en longitudes de onda ultravioleta , con aplicaciones principales que incluyen la fotolitografía de semiconductores y la cirugía ocular LASIK . Las moléculas excimer de uso común incluyen ArF (emisión a 193 nm), KrCl (222 nm), KrF (248 nm), XeCl (308 nm) y XeF (351 nm). [64] [ página necesaria ] El láser de flúor molecular , que emite a 157 nm en el ultravioleta de vacío, a veces se denomina láser excimer; sin embargo, esto parece ser un nombre inapropiado ya que el F 2 es un compuesto estable.
Los láseres de estado sólido utilizan una varilla de cristal o vidrio que está "dopada" con iones que proporcionan los estados de energía requeridos. Por ejemplo, el primer láser funcional fue un láser de rubí , hecho de rubí ( corindón dopado con cromo ). La inversión de población se mantiene en el dopante. Estos materiales se bombean ópticamente utilizando una longitud de onda más corta que la longitud de onda del láser, a menudo desde un tubo de destello u otro láser. El uso del término "estado sólido" en la física láser es más restringido que en el uso típico. Los láseres semiconductores (diodos láser) normalmente no se denominan láseres de estado sólido.
El neodimio es un dopante común en varios cristales láser de estado sólido, incluidos el ortovanadato de itrio ( Nd:YVO 4 ), el fluoruro de itrio y litio ( Nd:YLF ) y el granate de itrio y aluminio ( Nd:YAG ). Todos estos láseres pueden producir altas potencias en el espectro infrarrojo a 1064 nm. Se utilizan para cortar, soldar y marcar metales y otros materiales, y también en espectroscopia y para bombear láseres de colorante . Estos láseres también se duplican , triplican o cuadruplican comúnmente en frecuencia para producir rayos de 532 nm (verde, visible), 355 nm y 266 nm ( UV ), respectivamente. Los láseres de estado sólido bombeados por diodos (DPSS) de frecuencia duplicada se utilizan para fabricar punteros láser verdes brillantes.
El iterbio , el holmio , el tulio y el erbio son otros "dopantes" comunes en los láseres de estado sólido. [65] [ página necesaria ] El iterbio se utiliza en cristales como Yb:YAG, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:SYS, Yb:BOYS, Yb:CaF 2 , que normalmente funcionan alrededor de 1020-1050 nm. Son potencialmente muy eficientes y de alta potencia debido a un pequeño defecto cuántico. Se pueden lograr potencias extremadamente altas en pulsos ultracortos con Yb:YAG. Los cristales YAG dopados con holmio emiten a 2097 nm y forman un láser eficiente que opera en longitudes de onda infrarrojas fuertemente absorbidas por los tejidos que contienen agua. El Ho-YAG generalmente se opera en modo pulsado y se pasa a través de dispositivos quirúrgicos de fibra óptica para renovar articulaciones, eliminar la podredumbre de los dientes, vaporizar cánceres y pulverizar cálculos renales y biliares.
El zafiro dopado con titanio ( Ti:zafiro ) produce un láser infrarrojo muy ajustable , que se utiliza habitualmente para espectroscopia . También es conocido por su uso como láser de modo bloqueado que produce pulsos ultracortos de potencia de pico extremadamente alta.
Las limitaciones térmicas de los láseres de estado sólido surgen de la potencia de bombeo no convertida que calienta el medio. Este calor, cuando se combina con un coeficiente termoóptico alto (d n /d T ) puede causar lentes térmicas y reducir la eficiencia cuántica. Los láseres de disco delgado bombeados por diodos superan estos problemas al tener un medio de ganancia que es mucho más delgado que el diámetro del haz de bombeo. Esto permite una temperatura más uniforme en el material. Se ha demostrado que los láseres de disco delgado producen haces de hasta un kilovatio. [66]
Los láseres de estado sólido o amplificadores láser en los que la luz se guía debido a la reflexión interna total en una fibra óptica monomodo se denominan, en cambio, láseres de fibra . El guiado de la luz permite regiones de ganancia extremadamente largas, lo que proporciona buenas condiciones de refrigeración; las fibras tienen una gran relación entre área de superficie y volumen, lo que permite una refrigeración eficiente. Además, las propiedades de guía de ondas de la fibra tienden a reducir la distorsión térmica del haz. Los iones de erbio e iterbio son especies activas comunes en dichos láseres.
Muy a menudo, el láser de fibra se diseña como una fibra de doble revestimiento . Este tipo de fibra consta de un núcleo de fibra, un revestimiento interior y un revestimiento exterior. El índice de las tres capas concéntricas se elige de modo que el núcleo de fibra actúe como una fibra monomodo para la emisión del láser, mientras que el revestimiento exterior actúa como un núcleo altamente multimodo para el láser de bombeo. Esto permite que el bombeo propague una gran cantidad de energía hacia y a través de la región del núcleo interior activo mientras sigue teniendo una alta apertura numérica (NA) para tener condiciones de lanzamiento fáciles.
La luz de bombeo se puede utilizar de forma más eficiente creando un láser de disco de fibra o una pila de dichos láseres.
Los láseres de fibra, al igual que otros medios ópticos, pueden sufrir los efectos del fotooscurecimiento cuando se exponen a la radiación de determinadas longitudes de onda. En particular, esto puede provocar la degradación del material y la pérdida de la funcionalidad del láser con el tiempo. Las causas y los efectos exactos de este fenómeno varían de un material a otro, aunque a menudo implica la formación de centros de color . [67]
Los láseres de cristal fotónico son láseres basados en nanoestructuras que proporcionan el confinamiento de modos y la estructura de densidad de estados ópticos (DOS) necesaria para que se produzca la retroalimentación. [ aclaración necesaria ] Son típicamente de tamaño micrométrico [ dudoso – discutir ] y ajustables en las bandas de los cristales fotónicos. [ 68 ] [ aclaración necesaria ]
Los láseres semiconductores son diodos que se bombean eléctricamente. La recombinación de electrones y huecos creada por la corriente aplicada introduce una ganancia óptica. La reflexión de los extremos del cristal forma un resonador óptico, aunque el resonador puede ser externo al semiconductor en algunos diseños.
Los diodos láser comerciales emiten en longitudes de onda de 375 nm a 3500 nm. [69] Los diodos láser de potencia baja a media se utilizan en punteros láser , impresoras láser y reproductores de CD/DVD. Los diodos láser también se utilizan con frecuencia para bombear ópticamente otros láseres con alta eficiencia. Los diodos láser industriales de mayor potencia, con una potencia de hasta 20 kW, se utilizan en la industria para cortar y soldar. [70] Los láseres semiconductores de cavidad externa tienen un medio activo semiconductor en una cavidad más grande. Estos dispositivos pueden generar salidas de alta potencia con buena calidad de haz, radiación de ancho de línea estrecho ajustable por longitud de onda o pulsos láser ultracortos.
En 2012, Nichia y OSRAM desarrollaron y fabricaron diodos láser verdes comerciales de alta potencia (515/520 nm), que compiten con los láseres de estado sólido bombeados por diodos tradicionales. [71] [72]
Los láseres de emisión superficial de cavidad vertical ( VCSEL ) son láseres semiconductores cuya dirección de emisión es perpendicular a la superficie de la oblea. Los dispositivos VCSEL suelen tener un haz de salida más circular que los diodos láser convencionales. A partir de 2005, solo los VCSEL de 850 nm están ampliamente disponibles, y los VCSEL de 1300 nm comienzan a comercializarse [73] y los dispositivos de 1550 nm son un área de investigación. Los VECSEL son VCSEL de cavidad externa. Los láseres de cascada cuántica son láseres semiconductores que tienen una transición activa entre subbandas de energía de un electrón en una estructura que contiene varios pozos cuánticos .
El desarrollo de un láser de silicio es importante en el campo de la computación óptica . El silicio es el material de elección para los circuitos integrados , por lo que los componentes electrónicos y fotónicos de silicio (como las interconexiones ópticas ) podrían fabricarse en el mismo chip. Desafortunadamente, el silicio es un material láser difícil de manejar, ya que tiene ciertas propiedades que bloquean el láser. Sin embargo, recientemente los equipos han producido láseres de silicio a través de métodos como la fabricación del material láser a partir de silicio y otros materiales semiconductores, como el fosfuro de indio (III) o el arseniuro de galio (III) , materiales que permiten producir luz coherente a partir del silicio. Estos se denominan láseres de silicio híbridos . Los desarrollos recientes también han demostrado el uso de láseres de nanocables integrados monolíticamente directamente en silicio para interconexiones ópticas, allanando el camino para aplicaciones a nivel de chip. [74] Estos láseres de nanocables de heteroestructura capaces de interconexiones ópticas en silicio también son capaces de emitir pares de pulsos de picosegundos bloqueados en fase con una frecuencia de repetición de hasta 200 GHz, lo que permite el procesamiento de señales ópticas en chip. [56] Otro tipo es el láser Raman , que aprovecha la dispersión Raman para producir un láser a partir de materiales como el silicio.
Los láseres de colorante utilizan un colorante orgánico como medio de ganancia. El amplio espectro de ganancia de los colorantes disponibles, o mezclas de colorantes, permite que estos láseres sean altamente ajustables o que produzcan pulsos de duración muy corta ( del orden de unos pocos femtosegundos ). Aunque estos láseres ajustables se conocen principalmente en su forma líquida, los investigadores también han demostrado una emisión ajustable de ancho de línea estrecho en configuraciones de oscilador dispersivo que incorporan medios de ganancia de colorante de estado sólido. En su forma más común, estos láseres de colorante de estado sólido utilizan polímeros dopados con colorante como medio láser.
Los láseres de burbuja son láseres de colorante que utilizan una burbuja como resonador óptico. Los modos de galería susurrante en la burbuja producen un espectro de salida compuesto por cientos de picos espaciados uniformemente: un peine de frecuencias . El espaciado de los modos de galería susurrante está directamente relacionado con la circunferencia de la burbuja, lo que permite que los láseres de burbuja se utilicen como sensores de presión de alta sensibilidad. [75]
Los láseres de electrones libres (FEL) generan una radiación coherente de alta potencia que se puede ajustar en gran medida y que actualmente varía en longitudes de onda desde microondas hasta radiación de terahercios e infrarrojos, pasando por el espectro visible y los rayos X suaves. Tienen el rango de frecuencia más amplio de cualquier tipo de láser. Si bien los rayos FEL comparten las mismas características ópticas que otros láseres, como la radiación coherente, su funcionamiento es bastante diferente. A diferencia de los láseres de gas, líquido o estado sólido, que dependen de estados atómicos o moleculares ligados, los FEL utilizan un haz de electrones relativista como medio láser, de ahí el término láser de electrones libres .
La búsqueda de un láser de alta energía cuántica que utilice transiciones entre estados isoméricos de un núcleo atómico ha sido objeto de una amplia investigación académica desde principios de la década de 1970. Gran parte de ella se resume en tres artículos de revisión. [76] [77] [78] Esta investigación ha tenido un alcance internacional, pero se ha basado principalmente en la ex Unión Soviética y los Estados Unidos. Si bien muchos científicos siguen siendo optimistas respecto de que se acerca un gran avance, aún no se ha logrado un láser de rayos gamma operativo . [79]
Algunos de los primeros estudios se dirigieron hacia pulsos cortos de neutrones que excitaban el estado isómero superior en un sólido para que la transición de rayos gamma pudiera beneficiarse del estrechamiento de línea del efecto Mössbauer . [80] [ página necesaria ] [81] En conjunto, se esperaban varias ventajas del bombeo en dos etapas de un sistema de tres niveles. [82] Se conjeturó que el núcleo de un átomo incrustado en el campo cercano de una nube de electrones coherentemente oscilante impulsada por láser experimentaría un campo dipolar más grande que el del láser impulsor. [83] [84] Además, la no linealidad de la nube oscilante produciría armónicos tanto espaciales como temporales, por lo que las transiciones nucleares de mayor multipolaridad también podrían impulsarse a múltiplos de la frecuencia del láser. [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91]
En septiembre de 2007, la BBC News informó que se especulaba sobre la posibilidad de utilizar la aniquilación de positronio para impulsar un láser de rayos gamma muy potente. [92] David Cassidy, de la Universidad de California, Riverside, propuso que un solo láser de este tipo podría utilizarse para encender una reacción de fusión nuclear , reemplazando los bancos de cientos de láseres que se emplean actualmente en experimentos de fusión por confinamiento inercial . [92]
También se han propuesto como armas antimisiles los láseres de rayos X basados en el espacio impulsados por explosiones nucleares. [93] [94] Estos dispositivos serían armas de un solo uso.
Se han utilizado células vivas para producir luz láser. [95] [96] Las células fueron modificadas genéticamente para producir proteína fluorescente verde , que sirvió como medio de ganancia del láser. Luego, las células se colocaron entre dos espejos de 20 micrómetros de ancho, que actuaron como cavidad láser. Cuando la célula se iluminó con luz azul, emitió una luz láser verde intensamente dirigida.
Al igual que los máseres astrofísicos , los gases planetarios o estelares irradiados pueden amplificar la luz y producir un láser natural. [97] Marte , [98] Venus y MWC 349 exhiben este fenómeno.
Cuando se inventó el láser, se lo denominó "una solución que busca un problema", [99] aunque Gould anotó numerosas aplicaciones posibles en su cuaderno y en sus solicitudes de patente. [100] [101] Desde entonces, se han vuelto omnipresentes y han encontrado utilidad en miles de aplicaciones muy variadas en todos los sectores de la sociedad moderna, incluidos la electrónica de consumo , la tecnología de la información, la ciencia, la medicina, la industria, la aplicación de la ley , el entretenimiento y el ejército . La comunicación por fibra óptica se basa en láseres multiplexados en sistemas de multiplexación por división de onda densa (WDM) para transmitir grandes cantidades de datos a largas distancias. [102] [103] [104]
El primer uso ampliamente notorio del láser fue el escáner de código de barras de supermercado , introducido en 1974. El reproductor de laserdisc , introducido en 1978, fue el primer producto de consumo exitoso que incluyó un láser, pero el reproductor de discos compactos fue el primer dispositivo equipado con láser que se volvió común, comercializado en 1982, seguido poco después por las impresoras láser .
Algunos otros usos son:
En 2004, excluyendo los láseres de diodo, se vendieron aproximadamente 131.000 láseres, con un valor de 2.190 millones de dólares estadounidenses . [110] En el mismo año, se vendieron aproximadamente 733 millones de láseres de diodo, valorados en 3.200 millones de dólares estadounidenses . [111]
Los láseres tienen muchos usos en medicina, incluida la cirugía láser (en particular la cirugía ocular ), la curación con láser (terapia de fotobiomodulación), el tratamiento de cálculos renales , la oftalmoscopia y los tratamientos cosméticos de la piel como el tratamiento del acné , la reducción de la celulitis y las estrías y la depilación .
Los láseres se utilizan para tratar el cáncer mediante la reducción o destrucción de tumores o crecimientos precancerosos. Se utilizan más comúnmente para tratar cánceres superficiales que se encuentran en la superficie del cuerpo o el revestimiento de los órganos internos. Se utilizan para tratar el cáncer de piel de células basales y las etapas muy tempranas de otros como el cáncer de cuello uterino , pene , vagina , vulva y pulmón de células no pequeñas . La terapia láser a menudo se combina con otros tratamientos, como cirugía , quimioterapia o radioterapia . La termoterapia intersticial inducida por láser (LITT), o fotocoagulación láser intersticial , utiliza láseres para tratar algunos cánceres mediante hipertermia, que utiliza calor para reducir los tumores dañando o matando las células cancerosas. Los láseres son más precisos que los métodos de cirugía tradicionales y causan menos daño, dolor, sangrado , hinchazón y cicatrices. Una desventaja es que los cirujanos deben adquirir una formación especializada y, por lo tanto, probablemente será más costoso que otros tratamientos. [112] [113]
Un arma láser es un tipo de arma de energía dirigida que utiliza rayos láser para infligir daño. [114] Queda por ver si se utilizarán como armas militares prácticas y de alto rendimiento. [115] [116] Uno de los principales problemas con las armas láser es la floración térmica atmosférica , que todavía está en gran parte sin resolver. Este problema se agrava cuando hay niebla, humo, polvo, lluvia, nieve, smog, espuma o productos químicos oscuros dispersados intencionadamente. [117]
Los láseres se pueden utilizar como armas incapacitantes no letales . Pueden causar pérdida temporal o permanente de la visión cuando se dirigen a los ojos. Incluso los láseres con una potencia de salida inferior a un vatio pueden causar pérdida inmediata y permanente de la visión en determinadas condiciones, lo que los convierte en armas potencialmente no letales pero incapacitantes. El uso de tales láseres es moralmente controvertido debido a la discapacidad extrema que representa la ceguera inducida por láser. El Protocolo sobre armas láser cegadoras prohíbe el uso de armas diseñadas para causar ceguera permanente. Las armas diseñadas para causar ceguera temporal, conocidas como deslumbrantes , son utilizadas por organizaciones militares y, a veces, de aplicación de la ley.
Las armas láser capaces de dañar o destruir directamente un objetivo en combate todavía están en la etapa experimental. La Armada de los Estados Unidos ha probado el Sistema de Armas Láser de muy corto alcance (1 milla) y 30 kW o LaWS para ser utilizado contra objetivos como pequeños vehículos aéreos no tripulados , granadas propulsadas por cohetes y motores visibles de lanchas o helicópteros . [118] [119] Se ha descrito como "seis láseres de soldadura atados juntos". Un sistema de 60 kW, HELIOS , se está desarrollando para barcos de clase destructor a partir de 2020. [ 120][update]
En los últimos años, algunos aficionados se han interesado por los láseres. Los láseres que utilizan los aficionados son generalmente de clase IIIa o IIIb , aunque algunos han fabricado sus propios tipos de clase IV. [121] Sin embargo, debido al coste y a los peligros potenciales, se trata de un pasatiempo poco común. Algunos aficionados recuperan diodos láser de reproductores de DVD rotos (rojo), reproductores de Blu-ray (violeta) o incluso diodos láser de mayor potencia de grabadoras de CD o DVD . [122]
Los aficionados también han utilizado láseres sobrantes de aplicaciones militares en desuso y los han modificado para la holografía . Los láseres rubí pulsados y YAG funcionan bien para esta aplicación.
Diferentes aplicaciones requieren láseres con diferentes potencias de salida. Los láseres que producen un haz continuo o una serie de pulsos cortos se pueden comparar en función de su potencia media. Los láseres que producen pulsos también se pueden caracterizar en función de la potencia pico de cada pulso. La potencia pico de un láser pulsado es muchos órdenes de magnitud mayor que su potencia media. La potencia de salida media siempre es menor que la potencia consumida.
Ejemplos de sistemas pulsados con alta potencia pico:
Incluso el primer láser fue reconocido como potencialmente peligroso. Theodore Maiman caracterizó el primer láser como teniendo la potencia de un "Gillette", ya que podía quemar una hoja de afeitar Gillette . [127] [128] Hoy en día, se acepta que incluso los láseres de baja potencia con solo unos pocos milivatios de potencia de salida pueden ser peligrosos para la vista humana cuando el haz incide en el ojo directamente o después de reflejarse en una superficie brillante. En longitudes de onda que la córnea y el cristalino pueden enfocar bien, la coherencia y la baja divergencia de la luz láser significa que el ojo puede enfocarla en un punto extremadamente pequeño de la retina , lo que resulta en quemaduras localizadas y daños permanentes en segundos o incluso menos tiempo.
Los láseres suelen estar etiquetados con un número de clase de seguridad, que identifica qué tan peligroso es el láser:
Las potencias indicadas corresponden a láseres de onda continua de luz visible. Para láseres pulsados y longitudes de onda invisibles se aplican otros límites de potencia. Las personas que trabajan con láseres de clase 3B y clase 4 pueden proteger sus ojos con gafas de seguridad diseñadas para absorber la luz de una longitud de onda determinada.
Los láseres infrarrojos con longitudes de onda superiores a 1,4 micrómetros se suelen denominar "seguros para la vista", porque la córnea tiende a absorber la luz en estas longitudes de onda, lo que protege la retina de daños. Sin embargo, la etiqueta "seguro para la vista" puede ser engañosa, ya que se aplica únicamente a haces de onda continua de potencia relativamente baja; un láser de alta potencia o de conmutación Q en estas longitudes de onda puede quemar la córnea y causar graves daños oculares, e incluso los láseres de potencia moderada pueden lesionar el ojo.
Los láseres pueden ser un peligro tanto para la aviación civil como para la militar, debido a su potencial para distraer o cegar temporalmente a los pilotos. Consulte Láseres y seguridad en la aviación para obtener más información sobre este tema.
Las cámaras basadas en dispositivos de carga acoplada pueden ser más sensibles al daño causado por el láser que los ojos biológicos. [129]
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Este artículo incorpora texto de esta fuente, que se encuentra en el dominio público : «Los láseres en el tratamiento del cáncer». Institutos Nacionales de Salud, Instituto Nacional del Cáncer. 13 de septiembre de 2011. Archivado desde el original el 5 de abril de 2020. Consultado el 15 de diciembre de 2017 .