Principios físicos del láser para todos los públicos

Desde que mis líneas de investigación y de trabajo han virado hacia las aplicaciones biomédicas, he tenido la oportunidad de compartir congresos y discusiones con muchos médicos, biomédicos, expertos en radioterapia, etc. En casi todas estas reuniones se reconocía la importancia que la tecnología láser estaba teniendo el campo de la medicina, y sus más que excitantes aplicaciones tanto presentes como futuras (ver por ejemplo mis anteriores entradas en Desayuno con fotones: Aceleración de partículas cargadas por láser: presente, futuro y aplicaciones, 1 y 2). Pero siempre una idea me rondaba la cabeza: “estos profesionales saben usar un láser, pero ¿de verdad saben qué es un láser?” Vamos a ver si consigo responder a esta pregunta de forma sencilla con esta entrada.
Todos tenemos presente que un láser es luz. Pero ¿qué es la luz? Si atendemos a la definición:

La luz es una onda electromagnética

Vayamos por partes: la luz es una onda. Y una onda es:

una perturbación que se propaga en el espacio transportando energía

Un ejemplo de onda lo tenemos cuando lanzamos una piedra a un estanque. Al chocar la piedra con la superficie del agua se produce una perturbación de ésta que se propaga de forma radial. El caso de la luz es un poco más complejo porque tenemos una oscilación del campo eléctrico y del campo magnético, pero la analogía es totalmente válida.

Las magnitudes que definen una onda son:

• Amplitud: mide como de grande es la perturbación.
• Longitud de onda: distancia entre dos puntos de una onda que se propagan de la misma forma.
• Frecuencia: número de oscilaciones por segundo. En el caso de la luz se corresponde con el color de la radiación.
• Velocidad: rapidez con la que se propaga una onda. Es igual a la longitud de onda multiplicada por la frecuencia. La velocidad de la luz en el vacío es c que es igual a 300.000 km/s.

Ya tenemos más o menos claro qué es una onda. Vayamos ahora con la palabra electromagnética: ¿qué es una onda electromagnética?

Una onda electromagnética es aquella que se puede propagar en vacío

Por ejemplo el sonido, aunque es una onda, no es una onda electromagnética porque necesita de un medio material para propagarse. Es por esto que en el espacio al estar en condiciones de vacío las explosiones ¡no suenan!, aunque en “Star Wars” a todos nos hicieran creer lo contrario.
En la figura anterior podemos ver algunos ejemplos de ondas electromagnéticas junto con su longitud onda y su frecuencia. Como la longitud de onda multiplicada por la frecuencia es la velocidad de la onda, a mayor longitud de onda menor frecuencia y viceversa. Para las ondas electromagnéticas la energía de la onda es proporcional a la frecuencia siendo la constante de proporcionalidad la constante de Planck (h=6.62^.10^-34 Js), por tanto a mayor frecuencia mayor energía.
En este punto espero que más o menos todos tengamos claro qué es la luz, pero ¿qué es un láser? Para responder a esta pregunta lo mejor de nuevo es atender a la definición e ir paso por paso.
Láser es el acrónimo de:

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

…o lo que viene a ser lo mismo,

Amplificación de luz por emisión estimulada de radiación

En la definición de láser, “light”, “amplification” y “radiation” están más o menos claras, pero ¿qué es “stimulated emission”? Para entenderlo tenemos que viajar a 1917 cuando Einstein, ¡cómo no!, publicó su famoso artículo Zur Quantentheorie der Strahlung [On the Quantum Theory of Radiation] en el que describió teóricamente los procesos de interacción de la luz con la materia: absorción estimulada, emisión estimulada y emisión espontánea.
Pero vayamos paso a paso. Imaginemos un átomo con su núcleo atómico y sus electrones “orbitando”alrededor. Esta imagen es muy simplista y a veces incluso confusa, pero en este caso ilustra muy bien los conceptos necesarios. Si el átomo recibe energía, uno de sus electrones pasará a una “órbita” más alejada del núcleo que en la que se encontraba inicialmente. Con este “salto” del electrón a órbitas más alejadas del núcleo, el átomo pasa de un estado de mínima energía (o estado fundamental) a un estado de mayor energía (o estado excitado). Pero, y aquí está el quid de la cuestión, estas “órbitas” no son cualesquiera sino que están cuantizadas y sólo son posibles un número discreto de ellas. Por tanto, para pasar de una “órbita” a otra, la energía que tenemos que aportar al átomo tiene que ser exactamente igual a la diferencia de energía entre órbitas. Es importante señalar que la distribución de estas órbitas, o de estados electrónicos si hablamos con propiedad, son características de cada elemento, siendo como su huella de identidad.
Ya tenemos casi todas las herramientas. Supongamos un átomo en su estado fundamental, es decir en su estado de mínima energía. Supongamos también que incide sobre el átomo luz con una energía exactamente igual a la diferencia de energía entre el estado fundamental y el estado excitado. En esta situación, el átomo absorbería la luz y un electrón pasaría del estado fundamental al estado excitado. Estamos ante el proceso de Absorción Estimulada.
Si el átomo en vez de partir de su estado fundamental parte de su estado excitado, de forma espontánea puede decaer al estado fundamental emitiendo luz. La energía de esta luz es exactamente igual a la diferencia de energía entre el estado excitado y el estado fundamental. Este proceso se conoce como Emisión Espontánea.
Por último, si partimos de un átomo en un estado excitado y lo iluminamos con luz cuya energía sea exactamente igual a la diferencia de energía entre el estado excitado y el fundamental podemos estimular la desexcitación: Emisión Estimulada. En este caso el átomo pasará al estado fundamental emitiendo luz idéntica a la que ha inducido el proceso. Es decir hemos amplificado la luz inicial.
Si en vez de un átomo juntamos muchos y los llevamos todos a un estado excitado, conseguiremos una amplificación mucho mayor. Este medio amplificador es el corazón del láser y se conoce como medio activo.
¡Ya podemos montar nuestro láser! Lo primero que necesitaremos es un medio activo. Uno de los medios activos más usados actualmente se conoce como Ti:Sa, que es un cristal de zafiro dopado con iones titanio.
También necesitaremos una fuente de energía para excitar los átomos del medio activo. Esta fuente de energía puede ser por ejemplo una descarga eléctrica de alto voltaje u otro láser.
Si hacemos pasar luz por el medio activo como indicábamos antes,  logramos amplificarla, pero para conseguir grandes amplificaciones son necesarios medios activos muy grandes. Es más inteligente colocar el medio activo entre dos espejos teniendo uno de ellos una pequeña perdida. Es decir, insertar el medio activo en una cavidad o resonador. Así la luz se amplificará de forma constante siendo la pequeña perdida del resonador la luz láser que utilizamos para las distintas aplicaciones.
Las características de la luz láser son:
1.- Monocromaticidad
Por la forma en la que se genera la luz láser, la energía (o lo que es equivalente la frecuencia) de la radiación es muy definida. Esta frecuencia de emisión es intrínseca a la configuración energética del material que se use como medio activo, ya que corresponderá a la diferencia de energía entre el estado fundamental y el estado excitado que se elija. Esto contrasta con otras fuentes de luz, como por ejemplo el sol,  que son muy policromáticas.

Como mencionábamos antes la elección del medio activo determina tanto las características del láser, como las posibles aplicaciones de éste. En este artículo de Wikipedia hay una tabla extensa sobre los distintos tipos de medios activos así como sus longitudes de onda de emisión. Como curiosidad, mencionar que de forma general cuanto más al azul esté la emisión del láser que queramos más difícil es conseguir un medio activo, ver por ejemplo el reciente premio Nobel por el LED azul, y más caro resultará. La emisión más habitual es en la banda rojo-infrarrojo cercano. De hecho los habituales punteros láser para dar conferencias emiten en el infrarrojo (alrededor de 1064 nm) pero un cristal no lineal convierte mediante un proceso que se llama Second Harmonic Generation dos fotones de infrarrojo en un fotón verde (532 nm) que es la emisión que finalmente vemos.
2.- Direccionalidad
La luz láser es muy direccional, pudiéndose propagar grandes distancias sin divergir de forma importante. Esto contrasta con otras fuentes de luz, por ejemplo la de una bombilla, cuya emisión se produce en todas las direcciones, es decir, de forma isotrópica. Esta característica hace que con un láser sea posible concentrar una alta cantidad de energía en un punto concreto.
3. – Coherencia
Mientras que los distintos emisores de una fuente incoherente no emiten en fase, es decir, no emiten de una forma coordinada, en una fuente coherente como son los láseres todos los emisores están coordinados.
Podemos hacer una analogía si comparamos un centro comercial en hora punta donde todas las personas se mueven de forma aleatoria con un ejército marchando en una dirección determinada. Esta coherencia intrínseca de la luz láser, diferente a otras fuentes de luz, hace que la interacción laser-materia esté lejos de ser intuitiva, ya que presenta sorprendentes características, algunas de ellas aún no entendidas. Pero eso es otra historia.
Si habéis llegado hasta aquí espero que ahora tengáis una idea de cómo funciona un láser y de todo el abanico de posibilidades tanto científicas como tecnológicas que ofrece. De todas formas si tenéis alguna duda intentaré contestaros en los comentarios de esta entrada.
PD: En este link podéis intentar construir vuestro propio láser y hacerlo funcionar. ¡Suerte!