El láser cumple cincuenta años

En El año 2010 tiene lugar la conmemoración del descubrimiento del láser, amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. El láser es un dispositivo que utiliza un efecto de la mecánica cuántica y relativista, la emisión inducida o estimulada para generar un rayo de luz coherente de un medio adecuado y con el tamaño, la forma y la pureza controlados. Pero el láser tuvo un predecesor, el máser, amplificador de microondas por la emisión estimulada de radiación.

Para entender el funcionamiento de ambos dispositivos conviene remontarse a 1905-1916, años en los que Einstein siguiendo la estela de las investigaciones de Maxwell, Hertz, Kirchhoff, Planck y Boltzmann propuso una descripción matemática que explicaba que la emisión de electrones se producía por la absorción de cuantos de luz, con posterioridad denominados fotones. Bien es verdad que el físico alemán tenía muy presente el aspecto corpuscular del fotón, su faceta de molécula eléctrica; ésta partícula fundamental carente de masa surge en la materia e interactúa con átomos y partículas atómicas, con los gases y los sólidos. Einstein demostró que la energía con que los electrones escapaban del material aumentaba linealmente con la frecuencia de luz incidente. R.A. Millikan, en principio renuente a creer la teoría de Einstein, verificó años después en el laboratorio que éste tenía razón.

Un año decisivo de progreso de la física fue 1916, no sólo por el genio del alemán sino por la confluencia de los trabajos de Rutherford, Planck, Bohr y el grupo ilustre de teóricos y empíricos de la mecánica cuántica de ese momento. Ese año Albert Einstein espoleado por los hallazgos del danés Bohr formula un experimento mental mediante el cual traslada la radiación emitida por los osciladores del cuerpo negro de Kirchhoff-Planck a un cuerpo gaseoso o sólido con sus átomos y electrones. Einstein se mostró firme al descartar el electrón libre como el agente principal de la teoría de Planck y apostó con éxito por el atomismo implícito en el postulado planckiano, cuantos de acción/fotones actuando en una sopa de átomos y ondas con diferentes frecuencias y amplitudes, materia que surge en la franja de la luz visible del espectro electromagnético. El experimento mental consideraba que si se hacía incidir uno, dos o más fotones en ese cuerpo previamente excitado éste aumentaba su energía. Einstein supuso que si la nube de átomos y electrones excitados de un gas o un sólido se estimulaba con un rayo de luz con una frecuencia determinada, un número de electrones suficiente vibraría con la misma frecuencia del rayo incidente, la radiación que emite el campo tiende al equilibrio y facilita la coherencia, y con ésta, grupos de fotones interactúan con la sopa de átomos con frecuencias idénticas.

Pero Einstein siempre defendió la invariancia de ciertas leyes de la naturaleza, el hecho de que la luz visible se mostrase discontinua no falsaba las líneas maestras de la teoría relativista. El físico alemán enseñaba la tecnología de la luz, su propuesta implicaba manipular las propiedades de las ondas y la direccionalidad de una nube de átomos, fotones y electrones todos vibrando de un modo uniforme y produciendo el efecto cascada. Tanto el máser de Charles H. Townes como esquemas parecidos de J. Weber y de N. Basov y A. Prokhorov estaban basados en el concepto de emisión estimulada propuesto por Einstein: si una onda electromagnética con la frecuencia adecuada incide sobre una molécula o un átomo previamente excitados, éstos, en vez de absorber la energía de la onda emiten radiación de esa misma frecuencia.

En los cincuenta del siglo pasado Charles H. Townes creó un aparato emisor de microondas (máser), pero sin recurrir a los circuitos electrónicos sino a la química, que contenía amoníaco cuyas moléculas vibraban millones de veces por segundo agitadas con la estimulación electromagnética apropiada. El amoníaco es un compuesto químico cuya molécula consiste en un átomo de nitrógeno (N) y tres átomos de hidrógeno (H) de acuerdo a la fórmula NH3. A temperatura ambiente es un gas incoloro de olor muy penetrante y nauseabundo. El aparato diseñado por Townes y su equipo funcionaba lanzando un haz de moléculas agitadas de amoníaco dentro de una cavidad resonante observándose que el compuesto químico radiaba microondas. Tal vez lo remarcable del invento no fue la potencia de la energía emitida medida en vatios, que no fue mucha, sino que la energía se concentraba en una línea muy fina de la emisión del espectro dibujando el trazo uniforme de una onda sin apenas interferencia con las otras ondas del entorno.
Se considera a Townes y Arthur Schawlow los inventores del láser, el cual patentaron en 1960. Dos años después Robert Hall inventó el láser semiconductor. El paso del máser al láser se produjo cuando Ch. H. Townes y Arthur Schawlow idearon un máser que emitía luz visible; a diferencia de la luz que radia el sol o una bombilla, el láser emite un solo color, ya sea verde, azul o rojo dependiendo del material o gas que se use. El láser produce un chorro de luz muy estrecho y casi sin dispersión angular permitiendo concentrar su energía en un punto.

Nombre: Jhusep F. Vásquez M.

Electronica del estado solido

Seccion: 2