A fines de septiembre de 1981, la Pontificia Universidad Católica de Chile puso en funciones un equipo láser único en América latina, dentro de su laboratorio de Optica Cuántica y Plasma. El equipo, con un costo de 140 mil dólares, consiste en una fuente de luz coherente cuya intensidad es mayor que la del sol y posee, en pulsaciones de millonésimas de segundo, una potencia máxima de dos mil megawatts, superior a la de los complejos hidroeléctricos a plena capacidad de El Abanico, Colbún y El Toro (sumados).

El equipo, a cargo del Dr. Hernán Chaqui, permitirá, entre otros usos, desarrollar investigaciones sobre la física del plasma, óptica no lineal y modulación o transmisión de señales.


Hace veinte años

A la luz de esta nueva adquisición, resulta útil reflexionar sobre la naturaleza del láser.El láser es un dispositivo capaz de producir un poderoso haz luminoso monocromático de gran intensidad, en el que todas las ondas son coherentes. En otras palabras, se trata de un haz de luz tal que sus ondas tienen exactamente la misma longitud y se desplazan en la misma dirección. En un breve artículo publicado en 1916 en Zurich y recogido por la Physikalische Zeilschrft un ano más tarde, Albert Einstein sentó los principios del equilibrio de la emisión estimulada y espontánea de las radiaciones, abriendo el camino de lo que 40 años más tarde iba a ser considerado como uno de los inventos más importantes de este siglo.

Trabajando en la Universidad de Columbia (1955), Charles H. Townes utilizó por primera vez los conocimientos develados por Einstein, adjudicándose la paternidad de un invento que bautizó con el nombre de láser, destinado a revolucionar el mundo de la técnica. El nombre surgió de las iniciales del complicado sistema puesto en marcha: Microwave Ampitfied by Stimulated Emission of Radiation (Amplificador de microondas por emisión estimulada de radiaciones). Más tarde y junto con los trabajos de Nikolai Basov y Alexander M. Proklorov, se llega al láser, descubrimiento con el cual estos tres investigadores reciben el Premio Nobel en 1964. Las siglas de maser se diferencian de la del láser sólo en una letra: la inicial le light (luz).


Intentando una explicación

Si intentamos dar una explicación de cómo se origina el láser, es importante que consideremos el modelo aproximado del átomo que maneja un estudiante: un núcleo central rodeado de "carreteras", autopistas y caminos secundarios en torno al núcleo, por donde viajan esos vehículos que llamaremos electrones. Imaginemos entonces una red de autopistas de peaje que se dirigen en forma radial hacia un centro común en el que se celebra un gran acontecimiento y en las que hay que pasar por distintos controles de pago automático, que van aumentando de precio conforme se acercan al centro. Es evidente que el número de vehículos será mayor hacia el centro, donde la densidad de tráfico es superior y el espacio donde moverse resulta bastante pequeño. El fin primordial de las autopistas y de los controles de peaje es recoger el máximo número de monedas en el mínimo tiempo. Tal fin se consigue cuando un gran número de automóviles pasa de un control exterior a otro más cercano al núcleo central.

Tal podría ser una comparación eventualmente razonable de la estructura de la materia y la emisión por la misma de radiaciones. Si sustituimos automóviles por electrones; control de pago por nivel de energía; monedas por radiaciones y centro común por núcleo del átomo, tendremos un cuadro más o menos aproximado de lo que ocurre.

Se sabe que los electrones ocupan distintos niveles de energía` alrededor del núcleo (esto es, hay "vehículos" en distintas "carreteras" más o menos alejadas del núcleo central). Cuando un electrón pasa de un nivel energético externo a uno interior, emite espontáneamente una radiación (paga un peaje por ocupar una nueva carretera), siendo los niveles más bajos- los más cercanos al núcleo- los más poblados. Nuestra explicación adolece de un sólo defecto. Hemos dicho que el paso de una carretera a otra - de un nivel energético a otro- se caracteriza porque espontáneamente hay pago de peaje, esto es, emisión de radiaciones. Todos sabemos que como conductores de vehículos, una de las cosas que no hacemos espontáneamente es precisamente desembolsar dinero para seguir el viaje.

Para que exista una emisión de radiaciones mucho mayor habrá que repoblar los niveles exteriores (meter nuevos vehículos al camino), para que al pasar a los niveles internos emitan nuevas radiaciones. Dichas las cosas de esta forma, sólo estamos logrando estimular la producción de radiaciones, pero interesa conseguir algo más que eso: amplificar tales emisiones.


Fotones

Por el hecho de referirnos al láser y no al maser, usaremos la palabra fotón en vez de radiación, ya que se trata de luz y no de microondas. El desafío del momento consiste en idear una forma para que en cada estación de peaje el cobro se haga no ya por cada vehículo, sino por el número de pasajeros que éstos llevan. Si así fuera, obtendríamos en el mismo tiempo y con el mismo número de vehículos mayor recaudación En el efecto láser, el aviso luminoso que nos obliga a este nuevo desembolso se llama fotón incidente y puede conseguirse de diversas formas.

Una de las condiciones básicas para que se produzca el fenómeno láser es la de la coherencia. Debe efectuarse en tiempo y en espacio para que así se produzca el doble fenómeno de amplificación y asociación en fase fundamental en el rayo de luz láser. En la práctica, el conducto por donde circulan los fotones está formado por una superficie plateada que los refleja y los envía rápidamente (milésimas de segundo) y con gran potencia hacia su objetivo a través de un tubo.

El primer material sólido usado para la obtención de los rayos láser fue un cristal de óxido de aluminio "dopado" con iones cromo. Se trata del cristal conocido vulgarmente como rubí (piedra preciosa) en el que T.H. Maiman (1960) inició la era del láser.


Familia numerosa

Existen actualmente diferentes tipos de láser fabricados por distintos medios y usados para otros tantos propósitos. Entre ellos están los láser sólidos
bombeados ópticamente; los láser líquidos a base de moléculas inorgánicas; láser coloreados generados con tinturas orgánicas fluorescentes; láser gaseosos, donde el haz producido proporciona una línea recta casi ideal para su empleo en trabajos de construcción; láser dinámicos de gas; láser químicos (ciertas reacciones químicas producen suficientes átomos de alta energía, permitiendo que se produzca el efecto láser); láser a semiconductores, aptos para comunicarse de corta distancia y equipos de medición de distancia; láser a plasma (plasma es una palabra que los físicos sustrajeron de la biología y que define aquel estado de la materia que consiste en partículas eléctricamente cargadas y libres para moverse, con aproximadamente igual densidad de cargas positivas y negativas).


Múltiples aplicaciones

La luz producida por el láser es mucho más monocromática, direccional, potente y coherente que cualquiera luz de otra fuente, sin embargo las categorías de láser antes señaladas difieren bastante tanto en estas propiedades como en longitud de onda, tamaño y eficiencia. No existe un sólo láser adecuado para todos los propósitos, pero algunas de las propiedades combinadas pueden alcanzar objetivos que hasta el año 1960 eran difíciles o imposibles de realizar.

Un haz visible y continuo de un láser que emplee un gas, tal como la combinación helio-neón, proporciona una línea recta casi ideal para toda clase de aplicaciones de alineamiento. El haz de este láser se desvía menos de un milésimo de mm, casi al límite teórico ideal. Se puede reducir el desvío del haz pasándolo por un telescopio a pesar de que las fluctuaciones de la atmósfera limitan la nitidez del haz en largos trayectos. Los láseres están siendo usados ampliamente para alineación en las grandes construcciones; por ejemplo, para dirigir maquinarias usadas en excavaciones de túneles y para la extensión de oleoductos. Además se los utiliza para la alineación de moldes guías usados en la fabricación de grandes aviones a reacción, permitiendo precisiones de una centésima de pulgada (0.25 milímetro) en distancias de 60 metros o más.

Un láser pulsaste puede utilizarse en un radar liviano (algunas veces llamado LIDAR), que por la fineza de su haz permite una nítida definición del objetivo. Tal como ocurre con el radar, la distancia a un objeto se mide por el tiempo que toma la luz en llegar a él y regresar (ya que la velocidad de la luz es conocida). Ecos del LIDAR han vuelto desde la Luna ayudados por un reflector de prisma múltiple que fue colocado allí por los primeros astronautas. Ahora se pueden medir las distancias desde un observatorio terrestre al espejo lunar, con una exactitud de 30 cm.

Mediciones simultáneas de la distancia del espejo y dirección de dos observatorios ubicados en diferentes partes de la Tierra pueden dar un valor exacto de la distancia entre tales puntos. Una serie de estas mediciones puede indicar la razón de deriva de los continentes entre sí.

Un radar láser puesto en un avión verticalmente dirigido, puede servir como un dispositivo rápido de alta resolución (capaz de proporcionar detalles con claridad) para determinar la altitud del avión o para precisar pequeños detalles en la obtención de planos o mapas, como ser el contorno de los peldaños en un estadio o la forma del techo de una casa. Con un radar de láser pulsante se pueden obtener informaciones de partículas de polvo y aún de moléculas de aire a grandes alturas. De este modo, se pueden medir las densidades del aire y algunas veces trazar las corrientes del mismo. Un LIDAR más simple se puede usar - por ejemplo - para medir la altura de las nubes que cubren un aeropuerto.

Los interferómetros láser están siendo usados para detectar pequeños desplazamientos en la superficie terrestre a través de fallas geológicas. En la industria, estos interferómetros son usados para medir alambres finos, para monitorear los productos de máquinas automatizadas y para probar componentes ópticos.


Holografía

El brillo y coherencia de la luz láser son especialmente apropiados para lograr efectos visuales y fotográficos simulando tercera dimensión. Una fotografía se diferencia de lo que nosotros vemos a simple vista en que no destaca los planos, por muy bien tomada que esté la foto. La holografía (del griego, "el mensaje completo") permite - gracias a los rayos láser- obtener mucha más información a partir de una imagen tridimensional, haciendo posible, además, mejorar borrosas fotografías antiguas o "rescatar" a algún familiar que se nos quedó detrás de una muralla al sacar una instantánea. Los trabajos en este sentido comenzaron mejorando las imágenes obtenidas de los microscopios electrónicos (Demis Gabor, Premio Nobel de Física 1971) y luego se aplicó la técnica a la luz Usando láser produjeron una lámina de película transparente de color grisáceo (como la de una película fotográfica con poca exposición), utilizándola para formar una imagen tridimensional con detalles extraordinariamente finos, y todo eso sin utilizar lentes (como los que nos daban en el cine para ver algunas seriales históricas). Actualmente se está utilizando el holograma para el almacenamiento de información, un uso para el cual no se necesitan sus propiedades tridimensionales. La Enciclopedia Británica podría almacenarse en un holograma del tamaño de esta hoja que usted lee. Esta misma capacidad puede dar como resultado el desarrollo de memorias holográficas para computadores. Recientemente entró en funciones en Londres el Cardphone, que permite el empleo de una tarjeta grabada holográficamente sin que sea necesario echar monedas para establecer una comunicación. El teléfono "lee" la tarjeta, la acepta como sustituto de monedas y borra el importe de una llamada, de tal forma que si al pedir la comunicación la tarjeta tenía grabado el equivalente a diez pesos, al terminar el contacto el aparato la devuelve con la resta de lo que costó llamar. Las tarjetas las vende la British Telecom.


Alta precisión

Si la luz de varios láser se concentra mediante lentes y se enfoca sobre un punto determinado, se puede lograr la perforación de cualquier material, no importa cuan duro sea. Los láser de rubí son usados para perforar diamantes, en tanto los de zafiro son empleados en la fabricación de los ejes de relojes. En biología, un láser enfocado finamente puede evaporar partes de una sola célula, permitiendo así la microcirugía de cromosomas.

Los efectos de calor producidos por un haz de láser pulsante pueden ser altamente selectivos y extremadamente rápidos. Por lo tanto, la tinta puede ser removida del papel, haciendo posible un borrador-láser. La tinta absorbe la luz láser, se evapora y quema, mientras que el papel no es afectado. El láser puede producir calor extremo en un lugar donde el contacto mecánico es imposible. Así, una de las primeras aplicaciones de láser fue la cirugía en la retina del ojo. Se están investigando otras aplicaciones quirúrgicas, con el uso de láser mayores (ver recuadro).

El haz de láser puede ser usado para comunicaciones. Debido a que la frecuencia de luz es tan alta (alrededor de 5 x 1014 hertz por luz visible), la intensidad puede ser alterada rápidamente para codificar señales muy complejas. En principio, un haz de láser puede llevar la misma información que todos los canales de radio existentes a tal punto, que siete programas de televisión han podido ser transmitidos al mismo tiempo. Sin embargo, la luz láser puede ser bloqueada por la lluvia, neblina o nieve, por lo tanto, para una comunicación segura en la Tierra es necesario encerrar el haz de láser en tubos de protección.
Mientras tanto, los láseres están siendo usados para comunicaciones espaciales. La gran direccionabilidad de los haces láser permite un uso efectivo de pequeñas cantidades de potencia, para comunicaciones de larga distancia a través del espacio.


Plásticos

El láser está en condiciones de revolucionar la producción química. Con su ayuda existe la posibilidad de intervenir de un modo mucho más selectivo y concentrado en las distintas fases de las reacciones de lo que era posible hasta ahora usando los recursos energéticos convencionales. En un laboratorio del Instituto Max Planck de Investigaciones de Fluidos (Gottingen) y dentro de la línea denominada "fotoquímica de láseres", se consiguió producir varios kilos de cloruro de polivinilo con la ayuda de estos rayos. Dicha molécula es la sustancia básica para la producción del plástico conocido como PVC (cloruro de polivinilo). El consumo de energía de la reacción fue mucho menor, el rendimiento se incrementó en 20% y no se produjeron los subproductos habituales. Gracias al láser ha sido posible por primera vez en la historia de la química elegir un determinado rumbo a la reacción (entre otros varios posibles) o también impedirlo para evitar de antemano la génesis de contaminantes. Se han logrado producir compuestos totalmente desconocidos hasta ahora, lo que es raro que ocurra con el apoyo de los métodos convencionales.

Cada día los medios de comunicación nos sorprenden con nuevas noticias sobre usos -a veces insólitos- del láser. Lo cierto es que nos aparece por todos lados: en comunicaciones por fibra óptica, en el estudio y determinación de la edad de peces y crustáceos (Universidad de Valparaíso, Montemar); en el mecanismo de los tocadiscos en reemplazo de la aguja; en la automatización de ciertos circuitos de los modernos automóviles, etc. Sólo la imaginación le resta posibilidades al láser en su afán de multiplicar su servicio al hombre, o su autodestrucción, como lo vemos en artículo aparte.



SERGIO PRENAFETA JENKIN
Periodista de ACHIPEC.



Para saber más


1. Surgery: Stopping bleedind by laser. Lancet, 19 de enero de 1980, pág. 124.

2. Laser surgery may help lung cancer patients. The Times, Londres, 4 de septiembre de 1981.

3. Cutting the cost of fibre optics. Financial Times, Londres, 22 de julio de 1981.

4. Comunicaciones: Exitoso empleo de fibra óptica. El Mercurio de Santiago, 29 de octubre de 1981.

5. Rayos laser usarán para estudiar los crustáceos. El Sur de Concepción, 27 de julio de 1981.

6. Vulcan and Helen: lasers of unusual power. Financial Times, Londres, 5 de marzo de 1981.

7. John M. Carrol. The Story of the laser. New ed., 1970.

8. B. A. Lengyel. Introduction to Laser Physics (1966), and Lasers, segunda edición, 1971.

9. Introducción a la Holografía. Isaac Asimov, Facetas. 9:3,25, 1976.

10. Hologramas in the no-cash phone boz. Financial Times, Londres, 17 de octubre de 1980.