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    Cómo se creó el rayo láser, un dispositivo de posibilidades infinitas

    CC BY-SA 2.0 / Douglas Muth / Lasers
    Ciencia
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    Los láseres se han hechos imprescindibles prácticamente en todos los ámbitos de nuestra vida. Los utilizan los militares y los médicos, los constructores y los escolares. Están presentes en las computadoras y los satélites.

    Con su ayuda, los laboratorios generan flujos de energía de una potencia equiparable a una explosión nuclear y enfrían el medio hasta temperaturas ultrabajas. El invento del láser tiene tanta importancia que los trabajos que lo propiciaron les valieron a sus autores el Premio Nobel. Uno de los padres científicos del láser, el físico soviético Nikolái Básov, cumpliría 95 años este 14 de diciembre.

    El invento del láser fue facilitado por estudios de los procesos que tienen lugar en el átomo. Los electrones en su interior pueden ocupar distintos niveles energéticos y, cuanto más alto es un nivel, más alejado está del núcleo. Más exactamente, existe la posibilidad de detectar el electrón en uno u otro lugar, y éste se encontrará allá dónde más alta sea esta posibilidad.

    Al saltar un electrón a un nivel superior o inferior, se absorberá o se liberará, respectivamente, un cuanto de luz o fotón, la porción mínima de energía de la onda electromagnética. Si la emisión de radiación es inducida, es decir, generada por la acción externa, algunos parámetros de las vibraciones de los fotones resultan idénticos, mediante lo cual se consigue el ancho de banda de longitud de onda propio de un rayo láser.

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    Para que un átomo emita fotones, los electrones deben saltar a un nivel inferior. Y para ello hay que conseguir primero, mediante acción externa, que salten a niveles superiores. Los físicos llaman 'bombeo' a este proceso, y al átomo en el que los electrones suben de nivel se denomina excitado.

    Los átomos excitados emitirán luz de forma continua si se asegura la retroalimentación. Una vez inducida, la emisión de radiación debe generar una y otra vez el salto de los electrones a un nivel superior después de que liberen fotones. Para ello, el medio activo, por ejemplo un cristal, se sitúa dentro de una cavidad óptica que consiste en un sistema de dos espejos. La cavidad óptica facilita la generación múltiple de haces de luz, mediante lo cual se consigue una emisión de radiación de gran potencia, es decir, se amplifica el flujo de fotones.

    Del máser al láser

    En 1916, Albert Einstein planteó por primera vez el concepto de emisión y absorción estimulada (inducida) de fotones. Dos décadas después, el físico soviético Valentín Fabrikant señaló la posibilidad de utilizar la emisión inducida para la amplificación de la radiación electromagnética al atravesar una sustancia.

    En mayo de 1952, en plena URSS, Nikolái Básov y su tutor de tesis, Mijail Prójorov, presentaron en la Conferencia Nacional de Radioespectroscopia un informe sobre la posibilidad de emplear la emisión inducida para generar y amplificar ondas milimétricas. Casi simultáneamente, el físico estadounidense Charles Townes expuso la misma hipótesis desde la Universidad de Columbia.

    "En julio de 1954, la revista Physics Review Letters publicó un artículo de Charles Townes, James Gordon y Herbert Zeigert que la redacción había recibido el 5 de mayo del mismo año. El artículo informaba de que 'se había creado y puesto en marcha una instalación experimental que podría utilizarse como espectrómetro de microondas de alta resolución, amplificador de microondas o un generador muy estable'. Este fue el primer informe sobre la creación de un generador molecular o máser", explica Evgueni Protsenko, catedrático de Física del Láser de la Universidad Nacional de Investigaciones Nucleares de Moscú (MEPhI).

    La primera fuente de radiación electromagnética que funcionaba a base de cambios de estado molecular de amoníaco emitía ondas de luz de 1,25 centímetros de longitud. El dispositivo fue bautizado como 'máser', que es el acrónimo inglés de 'amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación' (microwave amplification by stimulated emission of radiation). El predecesor del láser fue creado simultánea e independientemente por dos equipos científicos, el del Instituto de Física Lébedev de la Academia de Ciencias de la URSS con Nikolái Básov y Mijaíl Prójorov al frente, y el de la Universidad de Columbia (EEUU), a las órdenes de Charles Townes.

    "Efectivamente, los dos grupos idearon y crearon un máser de amoníaco al mismo tiempo, lo que corrobora el Premio Nobel. Resulta asombroso que, pese a una diferencia abismal en las condiciones de partida —vida pacífica en EEUU y años de guerra y posguerra en la URSS—, ambos equipos científicos igualaran el marcador al lograr simultáneamente el mismo descubrimiento, que fue galardonado acorde a su trascendencia", recuerda el doctor en Física y Matemáticas Iósif Zúbarev, catedrático de Física del Láser de la Universidad MEPhI que trabajó con Nikolái Básov.

    El propio láser (acrónimo de 'light amplification by stimulated emission of radiation', lo que significa 'amplificación de luz por emisión estimulada de radiación') solo vio la luz seis años después del máser. Los años que separan los dos inventos se emplearon en buscar material y tecnologías que permitieron finalmente conseguir el ancho de banda de la radiación láser, de entre 0,1 y 1.000 micrómetros.

    "El 16 de mayo de 1960, en los Laboratorios Hughes (Culver City, California, EEUU) el físico Theodore Maiman implementó las condiciones para generar la emisión inducida de radiación. El científico utilizó una lámpara de descarga que colocó alrededor de un cristal de rubí de 1,5 centímetros de largo y un centímetro de diámetro. El espectro de radiación del rubí se redujo, lo que evidenciaba una emisión inducida de luz. Fue el día en que nació el láser", comenta Andréi Kuznetsov, director interino del Instituto de Tecnologías del Láser y Plasma (LaPlas) de la Universidad MEPhI.

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    Nikolái Básov, licenciado por la Universidad MEPhI que antes era conocida como Instituto Mecánico de Moscú, estableció y encabezó en 1978 en este centro la cátedra de Electrónica Cuántica. Desde 2016, la labor iniciada por el premio Nobel corre a cargo del Instituto LaPlas, que aglutinó varias cátedras de la universidad.

    Recientemente, un equipo de teóricos del LaPlas predijo que, mediante impulsos láser de gran potencia se podrían crear en el plasma campos magnéticos de decenas de millones de gauss o más, es decir, de una intensidad muchas veces superior a la que se consigue con otros métodos. Y en septiembre de 2017, esta hipótesis fue confirmada por un equipo internacional de investigadores en el Centro alemán de Investigación de Iones Pesados (GSI) en el que colaboraron también universitarios de la MEPhI.

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    Etiquetas:
    física, investigación, rayo, láser, MEPhI (universidad), Rusia
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