El láser, solución en busca de un problema

El láser es uno de los desarrollos más versátiles del siglo XX, con una cantidad de usos que crece día a día, pero que nadie pudo prever cuando se emitió el primer rayo.

El primer láser de rubí de 1960 y su inventor,
Theodore Maiman
(Foto D.P. de Daderot, vía Wikimedia Commons)

La luz que vemos habitualmente, la que emite el sol, la del fuego, la de nuestras bombillas y la que nos llega del universo es un caos que contiene ondas de distintas longitudes, amplitudes y fases, la luz “incoherente”.

Si en un estanque tranquilo arrojáramos una serie de guijarros de distinto tamaño y peso, desde distinta altura y con ciertas diferencias de tiempo. Las ondas que se producirían serían caóticas: las características cada guijarro producirían una onda de distinta frecuencia y amplitud que las de los otros guijarros, y donde sus crestas (la parte más alta de la onda) y valles (la parte más baja) tampoco coincidirían.

Así es la luz del sol que vemos como blanca y que contiene todos los colores del espectro visible. Si hacemos pasar la luz blanca por un prisma, como hizo Newton en su clásico experimento, la longitud de onda de cada color se difracta en un ángulo distinto al salir del prisma permitiéndonos ver la composición que tiene el rayo de luz original.

Por contraposición, la luz coherente sería aquélla en la que todos sus componentes van ordenados, con la misma longitud y amplitud de onda, y con crestas y valles coincidentes (en fase).

Para verla, hubo que esperar el genio de Albert Einstein.

En 1917, Einstein propuso una forma de estimular la emisión de la radiación electromagnética. Cuando se aplica energía a cualquier colección de átomos, éstos emiten fotones al azar. Es lo que pasa cuando aplicamos electricidad al gas de una bombilla fluorescente o de neón, al filamiento de una bombilla tradicional o al diodo de una bombilla LED).

Einstein propuso que se podía estimular a los átomos para que emitieran luz coherente. Según su teoría, si se dispara al átomo un fotón de cierta longitud de onda, provocará que el átomo emita un fotón en la misma dirección, con la misma frecuencia y en fase con el primero. Este efecto se multiplica al viajar los fotones coherentes por los átomos cercanos, provocando que se emitan más fotones coherentes que se pueden emitir como un haz de radiación electromagnética.

Si la luz incoherente es como una multitud caminando cada quién a su ritmo y paso, en la luz coherente todos los miembros de la multitud caminarían al mismo ritmo y con pasos iguales, como en un desfile.

Pasaron 37 años antes de que lo que Einstein había propuesto teóricamente se llevara a la práctica. En 1954, Charles Townes y Arthur Schawlow crearon en la Universidad de Columbia un aparato que estimulaba la emisión de microondas, con objeto de tener una fuente de microondas coherentes que se utilizaban en el estudio de la estructura de moléculas, átomos y núcleos atómicos. Llamaron a su procedimiento “amplificación de microondas mediante la emisión estimulada de radiación”, o MASER según sus siglas en inglés.

Estros mismos científicos plantearon hacer lo mismo con luz visible y publicaron artículos científicos al respecto, pero nunca lo hicieron en la práctica. El desafío no tuvo que esperar mucho para hacerse realidad y para desatar la polémica.

En 1958, Gordon Gould, también en la Universidad de Columbia, construyó el primer aparato capaz de emitir luz mediante la emisión estimulada de radiación. Siguiendo la pauta del “MASER”, cambió la primera letra, referente a las microondas, y la sustituyó por la L de luz (light), para crear la palabra “LASER”. El problema es que no presentó la solicitud de patente hasta 1959, se le denegó y tuvo que luchar hasta 1977 para que se le reconociera su calidad de pionero.

Mientras tanto, Theodore Maiman consiguió reconocimiento con la invención del láser de rubí, que nos presentó al “rayo láser” con un característico color rojo, simplemente porque el material empleado emitía los fotones de su haz de luz coherente en la longitud de onda del rojo, aunque el rayo puede ser de cualquier color dependiendo de los materiales y procedimientos usados para generarlo.

El láser era impresionante, se parecía al “rayo de la muerte” que dibujaban los ilustradores de las revistas “pulp” de ciencia ficción, tenía propiedades físicas asombrosas… pero no parecía tener aplicaciones prácticas. De hecho se le llamó “una solución en busca de un problema”.

Pero mientras multitud de científicos desarrollaban otros tipos de láser que necesitaban menos energía, más eficientes y de diversas longitudes de onda, las aplicaciones prácticas empezaron a desarrollarse. En 1969, la misión a la Luna del Apolo 11 dejó sobre la superficie de nuestro satélite, entre otros instrumentos, un reflector láser. Lanzando un rayo láser desde un observatorio y midiendo el tiempo que tarda en volver, se puede medir la distancia que nos separa con una tolerancia de 3 centímetros.

Esto ilustra una de las principales características de la luz coherente: al no dispersarse en ángulo como la luz de una linterna doméstica, sino mantenerse como un rayo recto, es posible proyectar un láser a gran distancia, como lo ilustran por desgracia los punteros láser, creados para auxiliar en presentaciones y en el aula, pero utilizados para molestar a deportistas y otras personas a distancia.

Hoy la lista de aplicaciones de las numerosas formas del láser es no sólo extensa, sino que crece día con día. Se usa por igual para leer códigos de barras en el supermercado o los CD y DVD de nuestros ordenadores y equipos de vídeo que para alinear puentes, como cinta de medir o como nivel para los profesionales de la construcción y hasta para los aficionados al bricolaje, para estudiar la atmósfera, como auxiliares en telescopios de última generación; para cortar, soldar doblar, grabar, marcar o limpiar metales; en diversas aplicaciones quirúrgicas y estéticas, desde la cirugía ocular hasta la eliminación de tatuajes y cicatrices y en la cirugía general, creando toda la especialidad de la medicina láser; como mira para distintas armas, en las impresoras de nuestros documentos y, por supuesto, en espectáculos como los que acompañan los macroconciertos de rock. Es importante señalar que la luz que viaja por la fibra óptica que ha revolucionado las telecomunicaciones y nos permite tener Internet de alta velocidad es luz láser.

Al final, el láser, la luz coherente que imaginó Einstein, ha resultado ser una solución para una multitud de problemas en las áreas más diversas de la experiencia humana.

Estrellas láser Los cuásares o fuentes cuasi estelares de ondas de radio descubiertos en 1950 se han revelado como objetos que emiten naturalmente rayos láser. El telescopio Hubble ha descubierto además una estrella inestable en nuestra propia galaxia, Eta Carinae, millones de veces mayor que nuestro sol y que emite luz láser ultravioleta.