Láser
Un rayo láser es un haz inducido de luz unidireccional, monocromático y coherente.
La palabra láser tiene su origen en el acrónimo de "Light Amplificated by Stimulated Emission of Radiation" (luz amplificada por la emisión estimulada de radiación). Como su nombre indica, su funcionamiento está basado en el fenómeno de emisión estimulada de radiación, enunciado por Einstein en 1916.
Los primeros experimentos que se realizaron basándose en este fenómeno culminaron en el hallazgo, en 1953, del denominado máser, un haz de radiación coherente que opera en la región de microondas del espectro electromagnético. A finales de esa década, posteriores experimentos con el espectro de luz visible dieron lugar al láser, inicialmente llamado máser óptico.
Tabla de contenidos
El fundamento del láser: la emisión estimulada:
Absorción - Emisión expontanea
Mediante el proceso de absorción, cuando un fotón choca con un electrón no excitado, puede hacer que pase a un estado de mayor energía, llamado estado excitado. Habitualmente, un electrón que resulta excitado, al cabo de un tiempo pasa nuevamente al estado de reposo, emitiendo al pasar un fotón. Este fenómeno, conocido como emisión espontánea, es el que tiene lugar, por ejemplo, en el Sol o en las bombillas.
Emisión estimulada
Ahora bien, un electrón excitado puede ser inducido a liberar su energía almacenada. Si un fotón con energía similar a la diferencia de energía entre los dos estados (excitado y no excitado) pasa al lado de un electrón excitado, éste "desciende" a un estado no excitado a través de la emisión de un fotón de luz igual al que ha pasado junto a él inicialmente. Los fotones así emitidos por el átomo estimulado poseen fase, energía y dirección similares a las del fotón externo que les dio origen.
La emisión estimulada produce luz coherente y monocroma al tiempo que amplifica la emisión de luz ya que, por cada fotón que incide sobre un átomo excitado, se genera otro fotón.
Características del láser:
Las tres características que diferencian el rayo láser de la luz normal, es que aquél es un haz de luz monodireccional, monocromático y coherente.
Monodireccional:
Los emisores de luz despiden millones de ondas, que pueden tener idéntica dirección o poseer direcciones distintas. La bombilla es un emisor de luz omnidireccional, frente al láser, que es monodireccional.
Monocromático:
El color de una luz depende de su frecuencia. Si todas las ondas posee la misma frecuencia, poseen también el mismo color. Así mismo, la frecuencia del fotón depende de su energía: al variar la energía del fotón, varía la frecuencia emitida, varía el color de la luz.
Los filamentos de las bombillas están formados por átomos y moléculas diferentes y, por tanto, la energía absorbida y desprendida en forma de fotones adopta valores diversos. Por el contrario, en un láser, la fuente de luz proviene de un gas o de un sólido muy purificado en el que se pretende que todos sus átomos tengan idénticos niveles energéticos. Como resultado, los fotones generados poseen idéntica energía y frecuencia.
Coherente:
Las ondas electromagnéticas son fenómenos ondulatorios que varían de fase en su propagación.
Dos ondas de idéntica dirección y frecuencia se encuentran cada una, normalmente, en una fase distinta. En el caso de que una de ellas se situara en un máximo y otra en un mínimo, se anularían. Sin embargo, puede suceder que ambas señales posean la misma fase y, consecuentemente, los mismos valores, lo que tendría como resultado una onda de doble de tamaño. Dado que en la luz normal las ondas no están en fase, una proporción elevada de su energía se pierde, puesto que unas señales se anulan con otras. Por el contrario, en el láser, todas las ondas poseen la misma fase y la energía resultante es la máxima posible, puesto que no se anula ninguna onda. Éste es el sentido del término coherente.
Aplicaciones:
Las aplicaciones prácticas de los láseres son tan dispares como la elecrónica de consumo, la medicina, la industria o la investigación física de alto nivel. La mayoría de estas aplicaciones se deben a las propiedades descritas, como la coherencia, la alta monocromaticidad y la capacidad de alcanzar potencias extremadamente altas.
Por ejemplo, un haz láser altamente coherente puede ser enfocado por debajo de su límite de difracción que, a longitudes de onda visibles, corresponde solamente a unos pocos nanómetros, lo que permite precisiones prodigiosas en instrumentación o grabar y leer ingentes cantidades de información en espacio reducido.
Incluso un láser de media e incluso baja potencia puede alcanzar intensidades muy altas, por lo que puede ser utilizado como una potente y precisa herramienta de corte con aplicaciones no sólo industriales sino incluso quirurgicas.
Un rayo láser puede viajar grandes distancias con una pequeña reducción de la intensidad de la señal y debido a su alta frecuencia puede transportar 1.000 veces más información que las microondas, por lo que son idóneos para ser utilizados como medio de comunicación en el espacio.
Más aún, el láser podría suponer la revolución definitiva en los sistemas de propulsión aérea. En 2003 la NASA consiguió hacer volar indefinidamente un pequeño avión de 300 gramos cuya energía era proporcionada desde tierra mediante láser. Científicos japoneses hicieron lo propio con un avión de papel, si bien utilizaron el láser para evaporar agua que servía de propelente. Estos aviones ligeros podrían ser utilizados como alternativa a los satélites artificiales para establecer telecomunicaciones en zonas de difícil acceso. Pero de desarrollarse más esta tecnología, podría suponer una tremenda reducción del lastre de los vuelos convencionales, al eliminar el combustible, tal y como ya se planea hacer en los viajes espaciales.
Últimamente, como no podía ser de otra forma, se especula con su uso militar como sustitutivo de los proyectiles convencionales y los misiles. Existe ya un prototipo de láser aerotransportado, montado en un Boeing 747 y las Fuerzas Aéreas de Estados Unidos proyectan cazas armados con láser de alta potencia para los próximos años. El primer prototipo, de apenas un kilovatio, pesaba 750 kilogramos, algo perfectamente adaptable a los modernos aviones de combate.
Mientras que el gran láser a bordo de aviones como el Boeing serviría como arma de precisión durante un bombardeo, los menos potentes pero más ligeros montados en cazas podrían ser una contraarma muy efectiva contra misiles.
En definitiva, su uso está extremadamente extendido y continuamente se le descubren nuevas aplicaciones sorprendentes, como su participación en los complejos procesos de enfriamiento a muy bajas temperaturas.
Láser en ciencia ficción:
Armamento:
Sin embargo, en la ciencia ficción el rayo láser ha tenido una utilización muy diferente, casi siempre ligada a sus aplicaciones armamentísticas. El láser, debido a que concentra una gran cantidad de energía, puede ser un arma muy potente.
La primera referencia al láser podría considerarse el "rayo ardiente" de La guerra de los mundos (1898) de H.G. Wells. En esta novela los marcianos utilizan una caja que emite un rayo invisible que calienta aquello contra lo que se dispara: las casas arden, los hombres son calcinados y las baterías de artillería explotan. Sin embargo, no puede decirse que lo que Wells describe sea un láser ya que el libro es seis décadas anterior a su invención. Las características del rayo, invisible y que calienta a distancia, podrían asociarlo más fácilmente a algún tipo de radiación como las microondas, y más que de láser estaríamos hablando de máser, algo igualmente desconocido para Wells.
En la ciencia ficción de la edad de oro y en la Space Opera todos los protagonistas lucen sus pistolas láser, de forma muy similar a como los vaqueros llevaban su colt. A menudo eran armas que hoy en día nos parecerían ridículas: pequeñas, con una especie de antena parabólica y con una esfera amarilla en su extremo. Las naves espaciales dentro de este género solían ir equipadas también de poderosos rayos destructivos, a veces llamados de alguna otra forma, como en el caso de los phaser de la saga de Star Trek.
Mucho más realista es el diseño de Katsuhiro Otomo en su cómic Akira (1982). Éste, consciente de la gran energía que necesita un arma de estas características, comprende que una simple empuñadura no es suficiente: su diseño es, pues, el de un gran rifle unido a toda una serie de baterías que se llevan en el cinturón.
En cualquier caso, pistolas o rifles láser han sido, como los robots o los extraterrestres, marca inequívoca de la ciencia ficción clásica.
Sin embargo, en la ciencia ficción dura, y especialmente en la temática de la exploración espacial, el láser ha sido rescatado del tosco uso primitivo que se hacía de él hasta entonces en las novelas de aventuras.
En los viajes dentro del propio Sistema Solar, la comunicación mediante láser puede ser el procedimiento óptimo. Pero la luz puede servir no sólo para transportar información, sino también energía, resolviendo parcialmente el problema de la autonomía de las naves espaciales en los viajes interplanetarios.
Un haz láser dirigido con precisión a un vehículo en el espacio puede suministrar al mismo energía que puede ser aprovechada de diversas formas: para recargar baterías fotovoltaicas, calentar directamente un plasma iónico o proporcionar impulso a un velero de fotones como si se "soplara" sobre él.
Esto permite aligerar considerablemente estos vehículos, y supone un gran ahorro de energía ya que no tiene que acelerar la propia carga que supone el combustible.
Por ejemplo, en la novela La paja en el ojo de Dios (1974) de Larry Niven y Jerry Pournelle, se nos describe una sonda espacial dotada por una vela circular que durante la fase inicial de su periplo es impulsada por un potente rayo láser. La intensidad del láser empleado es tal que el color de la estrella de partida cambia durante el periodo de impulsión, de varias décadas, dando lugar al nacimiento de una religión.
En Fiasco (1986) Stanislaw Lem utiliza también el impulso mediante láser para acelerar a la primera nave exploradora intergaláctica, el Eurídice, de camino a un presunto planeta habitado. El láser, situado en Titán, golpea con enorme fuerza en los deflectores del Eurídice y Lem describe una serie de problemas de debido a la potencia, que afecta incluso a la corteza de esta luna de Saturno, interrumpiendo la impulsión y reanudándola con fuertes saltos. Curiosamente, en la misma novela, Lem también describe un láser espacial, utilizado para la transmisión de información a través de una atmósfera saturada o como arma interplanetaria.
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