¿Cómo funciona el rayo láser?

  1. Introducción
  2. Láser
  3. Características del láser
  4. ¿Para qué sirven los láseres?
  5. Aplicaciones del láser
  6. La historia del rayo láser
  7. La carrera en pos del primer láser
  8. Comienza el gran auge
  9. El retorno de Gordon Gould
  10. Temas delicados
  11. Aspectos recientes
  12. Galería de Imágenes
  13. Bibliografía: Historia
  14. Anexo

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Introducción

El láser es un elemento muy útil para la vida actual, hay láseres que realizan muchas tareas distintas, desde medicina hasta trabajos industriales.

La historia del láser está plagada de problemas y peleas, pero también de acuerdos e innovaciones. Es sin duda una historia muy interesante.

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Láser

Se define la palabra láser como un dispositivo que usa el efecto de la mecánica cuántica (emisión estimulada o inducida) con el fin de generar un haz de luz coherente con tamaño, pureza y forma controlada. Se conoce cómo láser a un haz de luz coherente, monocromático y colimado; también se le da de nombre láser al dispositivo es que capaz de producir este haz.

Un láser, a diferencia de las lámparas comunes, emite los fotones en un rayo muy estrecho, coherente, perfectamente definido y muchas veces polarizado. Esta luz se la considera de tipo monocromática (de un color solo), debido a que tienen una sola longitud de onda.

Albert Einstein estableció, en 1916, los fundamentos para desarrollar el láser y sus predecesores, lo máseres, usando la ley de radiación de Max Planck que se basa en los conceptos de emisión inducida y espontánea de radiación, esta teoría fue olvidada hasta después de la Segunda Guerra Mundial.

Luego en 1953, Charles H. Townes y un grupo de estudiantes de posgrado, confeccionaron el primer máser, este dispositivo funcionaba mediante los mismos principios físicos que el láser pero produce un haz coherente de microondas en lugar de un haz de luz que pueda verse. Este láser de Townes, era no podía funcionar de forma continua.

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En 1917, el físico Albert Einstein fundó el concepto de "emisión estimulada", el mismo, luego dio paso al desarrollo de la luz láser. En 1947, Los Físicos R. C. Rutherford y Willis E. Lamb, demostraron la emisión del láser por primera vez; en 1951 aparece Townes con sus asistentes de posgrado, quienes inventan el máser, los mismos son galardonados con el premio Nobel en Física en el año 1964.

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En 1958, los físicos Charles H. Townes y Arthur L. Schawlow, fueron los primeros en publicar un artículo detallado sobre las aplicaciones de los máseres óticos; en 1960, ambos presentan su tecnología láser y en base a sus descubrimientos los físicos Mirek Stevenson y Peter P. Sorokin, desarrollaron el primer láser de uranio.

En 1969, se descubre la primera aplicación industrial del láser al ser empleado en soldaduras de los elementos de chapa en el armado de vehículos. En 1980, un grupo de físicos pertenecientes a la Universidad de Hull registran la primer emisión de láser en el campo de los rayos X.

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En 1985 se empiezan a vender en todas partes los primeros discos compactos en donde un haz de láser de baja potencia se encarga de "leer" los datos que fueron codificados y puestos dentro de este disco. Luego esa señal analógica permitirá escuchar los archivos musicales. Por último en el año 2003, la aparición del escaneo láser permite al museo británico realizar exhibiciones virtuales.

El láser posee un medio activo capaz de generar el mismo láser; existen 4 procesos que son básicos en la generación de dicho láser: bombeo, emisión espontánea de radiación, emisión estimulada de la misma y absorción. La primer parte del proceso, el bombeo, es provocado mediante una fuente de radiación (lámpara), el paso de una corriente eléctrica o la utilización de cualquier otra clase de fuente energética. La emisión espontánea de radiación, por su parte, es cuando los electrones que regresan al estado fundamental, emiten fotones. Este es un proceso de tipo aleatorio y la radiación resultante se encuentra formada por fotones que se desplazan en diferentes direcciones y con fases distintas, produciéndose así, una radiación monocromática incoherente.

La emisión estimulada de radiación, que vale aclarar, es la base de la generación de radiación de cualquier láser, se produce cuando un átomo que se encuentra en estado excitado, recibe un estímulo externo que lo lleva a emitir fotones y así retornar a un estado menos excitado. El estímulo del que hablamos, proviene de la llegada de un fotón.



La absorción, este proceso por el cual se absorben los fotones; el sistema atómico, se excita a un estado de energía muy alto, el electrón pasa a un estado meta-estable. Este fenómeno compite ciertamente con el de la emisión estimulada de radiación.

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Características del láser

  • La luz láser es intensa. No obstante, sólo ciertos láseres son potentes. Aunque lo parezca, no se trata de una contradicción. La intensidad es una medida de la potencia por unidad de superficie, e incluso los láseres que emiten sólo algunos mili vatios son capaces de producir una elevada intensidad en un rayo de un milímetro de diámetro. En realidad, su intensidad puede ser igual a la de la luz del sol. Cualquier lámpara ordinaria emite una cantidad de luz muy superior a la de un pequeño láser, pero esparcida por toda la sala. Algunos láseres pueden producir muchos miles de vatios continuamente; otros son capaces de producir billones de vatios en un impulso cuya duración es tan sólo la mil millonésima parte de un segundo.

  • Los haces láser son estrechos y no se dispersan como los demás haces de luz. Esta cualidad se denomina direccionalidad. Se sabe que ni la luz de un potente foco logra desplazarse muy lejos: si se enfoca hacia el firmamento, su rayo parece desvanecerse de inmediato. El haz de luz comienza a esparcirse en el memento en que sale del foco, hasta alcanzar tal grado de dispersión que llega a perder su utilidad. Sin embargo, se han logrado reflejar haces láser de pocos vatios de potencia sobre la luna y su luz era todavía lo suficientemente brillante para verla desde la tierra. Uno de los primeros haces láser que se disparó contra la luna en 1962 sólo lleg6 a dispersarse cuatro kilómetros sobre la superficie lunar. ¡No está mal si se considera que se había desplazado cuatrocientos mil kilómetros!

  • La luz láser es coherente. Esto significa que todas las ondas luminosas procedentes de un láser se acoplan ordenadamente entre sí. Una luz corriente, como la procedente de una bombilla, genera ondas luminosas que comienzan en diferentes mementos y se desplazan en direcciones diversas. Algo parecido a lo que ocurre cuando se arroja un puñado de piedrecitas en un lago. Lo único que se crean son pequeñas salpicaduras y algunas ondulaciones. Ahora bien, si se arrojan las mismas piedrecitas una a una con una frecuencia exactamente regular y justo en el mismo sitio, puede generarse una ola en el agua de mayor magnitud. Así actúa un láser, y esta propiedad especial puede tener diversas utilidades. Dicho de otro modo, una bombilla o un foco son como escopetas de cartuchos, mientras que un láser equivale a una ametralladora.

  • Los láseres producen luz de un solo color, o para decirlo técnicamente, su luz es monocromática. La luz común contiene todos los colores de la luz visible (es decir, el espectro), que combinados se convierten en blanco. Los haces de luz láser han sido producidos en todos los colores del arco iris (si bien el más común es el rojo), y también en muchos tipos de luz invisible; pero un láser determinado sólo puede emitir única y exclusivamente un solo color. Existen láseres sintonizables que pueden ser ajustados para producir diversos colores, pero incluso éstos no pueden emitir más que un color único en un memento dado. Determinados láseres, pueden emitir varias frecuencias monocromáticas al mismo tiempo, pero no un espectro continuo que contenga todos los colores de la luz visible como pueda hacerlo una bombilla. Además, existen numerosos láseres que proyectan luz invisible, como la infrarroja y la ultravioleta.

¿Para qué sirven los láseres?

La gama de usos de los láseres es sorprendente, hasta el punto de que alcanza una extensión mucho más amplia que la concebida originariamente, por los científicos que diseñaron los primeros modelos (a pesar de que difícilmente lo admitirían), y supera en mucho la visión de los primeros escritores de ciencia-ficción, quienes en la mayoría de los casos sólo supieron ver en él un arma futurista, (aunque tampoco parecen dispuestos a confesar su falta de imaginación). También resulta sorprendente la gran variedad de láseres existentes.

En un extremo de la gama se encuentran los láseres fabricados con minúsculas pastillas semiconductoras, similares a las utilizadas en circuitos electrónicos, con un tamaño no superior al de un grano de sal. Gordon Gould uno de los pioneros en este campo, confesó que le impresionaron cuando fueron presentados. En el extremo opuesto se encuentran los láseres bélicos del tamaño de un edificio, con los que experimenta actualmente el ejército, muy diferentes de las pistolas lanzarrayos que habían imaginado los escritores de ciencia-ficción.

En este libro no sólo nos hemos propuesto hablar de los láseres, sino también explicar sus actuales aplicaciones -así como las de un futuro próximo- y la forma en que afectarán, por consiguiente, nuestras vidas.

Las tareas desempeñadas por los láseres van de lo mundano a lo esotérico si bien comparten un elemento común: son difíciles o totalmente imposibles con cualquier otro instrumento. Los Láseres son unos aparatos relativamente caros y, por lo general, sólo se utilizan por su propiedad de suministrar la forma y la cantidad de energía requeridas en el lugar deseado.

Charles H. Townes, uno de los inventores del láser y ganador del Premio Nobel, ha dicho que, en su opinión, el láser abarcará una gama muy amplia de campos y logrará hacerlo prácticamente todo.

Aplicaciones del láser

Industria

Es posible enfocar sobre un punto pequeño un haz de láser potente, con lo que se logra una enorme densidad de energía. Los haces enfocados pueden calentar, fundir o vaporizar materiales de forma precisa. Por ejemplo, los láseres se usan para taladrar diamantes, modelar máquinas herramientas, recortar componentes micro electrónicos, calentar chips semiconductores, cortar patrones de moda, sintetizar nuevos materiales o intentar inducir la fusión nuclear controlada (véase Energía nuclear). El potente y breve pulso producido por un láser también hace posibles fotografías de alta velocidad con un tiempo de exposición de algunas billonésimas de segundo. En la construcción de carreteras y edificios se utilizan láseres para alinear las estructuras.

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Investigación científica

Los láseres se emplean para detectar los movimientos de la corteza terrestre y para efectuar medidas geodésicas. También son los detectores más eficaces de ciertos tipos de contaminación atmosférica. Los láseres se han empleado igualmente para determinar con precisión la entre la Tierra y la Luna y en experimentos de relatividad. Actualmente se desarrollan conmutadores muy rápidos activados por láser para su uso en aceleradores de partículas, y se han diseñado técnicas que emplean haces de láser para atrapar un número reducido de átomos en un vacío con el fin de estudiar sus espectros con una precisión muy elevada. Como la luz del láser es muy direccional y monocromática, resulta fácil detectar cantidades muy pequeñas de luz dispersa o modificaciones en la frecuencia provocadas por materia. Midiendo estos cambios, los científicos han conseguido estudiar las estructuras moleculares. Los láseres han hecho que se pueda determinar la velocidad de la luz con una precisión sin precedentes; también permiten inducir reacciones químicas de forma selectiva y detectar la existencia de trazas de sustancias en una muestra. Véase Análisis químico; Fotoquímica.

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Comunicaciones

La luz de un láser puede viajar largas distancias por el espacio exterior con una pequeña reducción de la intensidad de la señal. Debido a su alta frecuencia, la luz láser puede transportar, por ejemplo, 1.000 veces más canales de televisión de lo que transportan las microondas. Por ello, los láseres resultan ideales para las comunicaciones espaciales. Se han desarrollado fibras ópticas de baja pérdida que transmiten luz láser para la comunicación terrestre, en sistemas telefónicos y redes de computadoras. También se han empleado técnicas láser para registrar información con una densidad muy alta. Por ejemplo, la luz láser simplifica el registro de un holograma, a partir del cual puede reconstruirse una imagen tridimensional mediante un rayo láser.

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Medicina

Con haces intensos y estrechos de luz láser es posible cortar y cauterizar ciertos tejidos en una fracción de segundo sin dañar al tejido sano circundante. El láser se ha empleado para "soldar" la retina, perforar el cráneo, reparar lesiones y cauterizar vasos sanguíneos. También se han desarrollado técnicas láser para realizar pruebas de laboratorio en muestras biológicas pequeñas.

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Tecnología militar

Los sistemas de guiado por láser para misiles, aviones y satélites son muy comunes. La capacidad de los láseres de colorante sintonizables para excitar de forma selectiva un átomo o molécula puede llevar a métodos más eficientes para la separación de isótopos en la fabricación de armas nucleares.

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Láser atómico

En enero de 1997, un equipo de físicos estadounidenses anunció la creación del primer láser compuesto de materia en vez de luz. Del mismo modo que en un láser de luz cada fotón viaja en la misma dirección y con la misma longitud de onda que cualquier otro fotón, en un láser atómico cada átomo se comporta de la misma manera que cualquier otro átomo, formando una "onda de materia" coherente.

Los científicos confían en las numerosas e importantes aplicaciones potenciales de los láseres atómicos, aunque presenten algunas desventajas prácticas frente a los láseres de luz debido a que los átomos están sujetos a fuerzas gravitatorias e interaccionan unos con otros de forma distinta a como lo hacen los fotones.

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La historia del rayo láser

  • La historia comenzó en 1916, cuando Albert Einstein estudiaba el comportamiento de los electrones en el interior del átomo. Por regla general, los electrones son capaces de absorber o emitir luz. En realidad, los electrones emiten luz espontáneamente sin ninguna intervención externa. Sin embargo, Einstein previó la posibilidad de estimular los electrones para que emitiesen luz de una longitud de onda determinada. El estímulo se lo proporcionaría una luz adicional de la misma longitud de onda. A pesar de que R. Ladenberg verificó el pronóstico de Einstein en 1928, nadie pensó seriamente en construir un dispositivo basado en el fenómeno en cuestión hasta principios de los años cincuenta.

  • Recordemos que láser significa amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación. Einstein descubrió la emisión estimulada, pero para fabricar un láser se precisa también amplificación de dicha emisión estimulada.

  • La primera propuesta conocida para la amplificación de la emisión estimulada apareció en una solicitud de patente soviética en el año 1951, presentada por V.A. Fabrikant y dos de sus alumnos. Sin embargo, dicha patente no se publicó hasta 1959, y por consiguiente no afectó a los demás investigadores. Fabrikant sigue siendo un misterio en la actualidad, uno de los olvidados en la ruta de investigación del láser. En 1953, Joseph Weber, de la universidad de Maryland, propuso también la amplificación de la emisión estimulada y, al año siguiente, los rusos mencionados anteriormente, Basov y Prokhorov, escribieron un artículo explorando mucho más a fondo el concepto. Desde entonces, a Weber se le ha pasado a conocer mejor por sus investigaciones en otro campo, el de la detección de ondas de gravedad basándose también en otra antigua idea de Albert Einstein.

Éstas son las fechas oficiales correspondientes a la primera parte de la carrera del láser.

  • La idea de Townes, según sus propias palabras en aquella época, "solo parecía factible en parte" Siguiendo el método tradicional de los catedráticos de física, formuló el problema en forma de tema para una tesis y se lo ofreció a James P. Gordon, alumno licenciado de la universidad de Columbia. Tres años más tarde, Gordon, Townes y Herbert Zeiger habían logrado construir en Columbia el primer máser (amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación).

  • Durante los años siguientes proliferaron los máseres. Debido a que la física de éstos era fascinante, el nuevo campo atrajo a numerosos investigadores, pero por desgracia se encontraron pocas aplicaciones para los aparatos en cuestión. Una de sus utilidades consiste en amplificar las señales que los radioastrónomos reciben del espacio lejano, y en las comunicaciones por medio de satélite, y se usan además come medida de frecuencias en los relojes atómicos de ultra precisión. Sin embargo, la gama de frecuencias que amplifica es excesivamente limitada para la mayoría de las aplicaciones electrónicas. Los físicos deseaban ir más allá, y no tardaron en comenzar a investigar otras zonas del espectro electromagnético, en especial las longitudes de onda de la luz infrarroja y visible. Y así comenzó la gran carrera.

La carrera en pos del primer láser

Entonces fue cuando comenzó a ganar interés... y empezaron las querellas.

  • En septiembre de 1957, Townes esbozó un proyecto para la construcción de un "máser óptico" que emitiría luz visible. Y se puso en contacto con su viejo amigo Arthur Schawlow, que entretanto había abandonado la universidad de Columbia para trabajar en los laboratorios Bell.

  • Gordon Gould era estudiante licenciado de la facultad de física en la universidad de Columbia, donde Townes ejercía de catedrático. Puesto que Gould y Townes llegarían eventualmente a disputarse los derechos de cierta patente.

  • Gould admite que se inspiró en el máser y en las ideas de Townes. Estaba obsesionado por la idea de construir un artefacto que emitiese luz en lugar de microondas, pero, puesto que no logró que Kusch aceptase el proyecto para su doctorado, decidió emprenderlo por cuenta propia. En noviembre de 1957, transcurridos apenas dos meses desde que Townes hubiera esbozado su máser óptico, Gould comenzó a describir su propia idea para la construcción de un aparato semejante utilizando -al parecer por primera vez- el término láser.

  • Prosiguió con la exposición de sus planes para la construcción de un láser y aprovechó la oportunidad para hacer proféticas declaraciones. Gould asegura que admitió, antes de que lo hicieran otros pioneros del láser, que seria posible conseguir densidades de energía hasta entonces inalcanzables. Puntualizó que la segunda ley de termodinámica no limita el brillo del láser. Dicha ley afirma que la temperatura de una superficie calentada por un haz procedente de una fuente radicación térmica no puede exceder la temperatura de la fuente.

  • Gould comprendió que el láser sería una fuente de luz no térmica y, por consiguiente, capaz de generar temperaturas muy superiores a la suya. En la práctica, esto significa que un láser que opere a temperatura ambiente es capaz de producir un haz que llegue a fundir el acero. Un haz de luz láser debidamente focalizado podría ser utilizado para generar una fusión termonuclear, según pronosticó Gould en sus notas, además de afirmar que el láser podría emplearse para establecer comunicaciones con la luna.

  • Gould esperó hasta abril de 1959. Sin embargo, Townes y Schawlow no. Transcurridos unos 7 meses, durante el verano de 1958 solicitaron las patentes y mandaron detallado informe a la prestigiosa revista Physical Review, la cual lo publicó en diciembre de 1958.

El Primer Láser

  • Un físico de los laboratorios de investigación de la compañía aérea Hughes, en Malibu, California, llamado Theodore H. Maiman. Éste había estado utilizando un rubí sintético como cristal para un máser y lo había estudiado con suma atención. Otros investigadores habían Ilegado, en general, a la conclusión de que el rubí no constituía el material adecuado para el láser debido a las características de los átomos en el interior del cristal, pero los cálculos de Maiman le convencieron de que seria apropiado.

  • Trabajando solo y sin ayuda alguna por parte del Gobierno, Maiman construyó un pequeño artefacto que consistía en un cristal cilíndrico de rubí de un centímetro aproximado de diámetro, rodeado de una lámpara espiral intermitente. Los extremes de la barra de rubí habían sido cubiertos con el fin de que actuasen como espejos, condición necesaria para la oscilación del láser. Cuando el cristal recibía ráfagas de luz de unas millonésimas de segundo de duración, producía breves pulsaciones de luz Láser. El 7 de julio de 1960, Maiman comunicó a la prensa que había hecho funcionar el primer láser. Tan pequeño era el aparato, de unos escasos centímetros de longitud, que el encargado de relaciones públicas de la Hughes no permitió que los periodistas lo fotografiasen y les ofreció en su lugar la fotografía de otro artefacto que todavía no había funcionado, pero que le parecía más impresionante debido a su mayor tamaño. En la era de las microcomputadoras y de los circuitos integrados, su actitud parece curiosa, pero en los años sesenta la mayor parte de los equipos electrónicos se construían todavía con voluminosas válvulas y de algún modo, lo mayor parecía mejor.

  • El láser de Maiman producía unos 10.000 vatios de luz, pero duraba escasamente unas millonésimas de segundo en un momento dado y correspondía a un extremo tan rojo del espectro luminoso que era casi invisible. Se precisaban delicados instrumentos para comprobar que las pulsaciones no eran simplemente fluorescentes, sino que correspondían a un tipo de luz que nadie había visto hasta entonces: la luz láser. La era del láser acababa de comenzar. Lamentablemente, las implicaciones del descubrimiento de Maiman no fueron evidentes en aquellos momentos para los redactores de una de las más prestigiosas publicaciones en su campo, la Physical Review Letters. Tras haber decidido en 1959 que los progresos en la física de los máseres ya no merecían ser publicados con urgencia (función primordial de la Physical Review Letters), optaron por rechazar el informe de Maiman.

  • La segunda publicación de su elección era la prestigiosa, aunque menos especializada, revista británica Nature, donde en 1960 se apresuraron a publicar el artículo de Maiman que constaba escasamente de 300 palabras y constituía, por consiguiente, el más sucinto informe jamás divulgado sobre un importante descubrimiento científico. A pesar de su brevedad, el artículo permitió que se repitiese la hazaña de Maiman en varios laboratorios.

Comienza el gran auge

  • Después de estudiar el trabajo de Maiman, los demás investigadores dirigieron rápidamente su atención a la construcción de otros modelos de láseres. Al principio, el progreso era lento. Durante el año 1960 se construyó el primer láser de gas y dos nuevos modelos de cristal, uno de los cuales era de Schawlow. En 1961 se descubrieron dos nuevos tipos de láser, uno de ellos debido al equipo de Gould y Maiman, funcionaba por bombeo óptico, pero el material activo era vapor de cesio (un metal).

  • El verdadero auge comenzó en 1962, y en 1965 la actividad del láser había sido observada en mil longitudes de onda diferentes, y ello sólo en los gases. Fueron muchos los que comenzaron a estudiar las posibles aplicaciones de los láseres a partir del momento en que se descubrieron. Una de ellas consistía en calcular la a la que se encontraban ciertos objetos, y los militares no tardaron en aprovecharla para determinar la posición de los blancos. Los investigadores de los laboratorios Bell, entre otros, empezaron a estudiar su aplicación en el campo de las comunicaciones, como habían previsto en todo momento Townes y Schawlow.

  • La fabricación comercial de los láseres tampoco se hizo esperar. Una de las primeras en el nuevo campo fue la Korad Inc., fundada por Maiman en Santa Mónica, California, en 1962. No tardaron en aparecer otras. Muchas fracasaron y algunas son todavía pequeñas con un puñado de empleados. Entre las que han logrado un gran éxito se encuentra Spectra-Physics Inc., radicada en Mountain View, California, cuyas ventas exceden los 100 millones de dólares anuales y sus acciones se cotizan en la Bolsa de Nueva York.

  • Pronto comenzaron los pioneros del láser a cubrirse de honores. En 1964, Townes, Basov y Prokhorov compartieron el premio Nobel de física. A Townes se le otorgó la patente del máser, que, puesto que cubría toda amplificación por emisión estimulada fuere cual fuese la longitud de onda, afectaba también al láser. Townes y Schawlow compartieron una patente básica sobre el láser (es decir, un artefacto que opere especialmente en longitudes de onda ópticas e infrarrojas). A Maiman se le otorgó una patente por su láser de rubí y al fin consiguió hacerse con una suma considerable de dinero al vender su participación en Korad Inc. a la Union Carbide Corporation.

El retorno de Gordon Gould

  • Entretanto, Gordon Gould parecía haberse esfumado. Townes y Schawlow estaban en posesión de la patente que él esperaba conseguir, habiéndosele anticipado en casi nueve meses. Cuando intentó que se reconociesen sus derechos a la solicitud de 1959 se vio involucrado en cinco costosas y prolongadas acciones judiciales, propias del procedimiento utilizado por la oficina de patentes de Estados Unidos para determinar a quién corresponden los derechos de un invento determinado. En la primera de sus acciones, Gould se estrelló contra la patente de Townes y Schawlow. Esencialmente quedó desacreditado, y además se ganó la antipatía de numerosos miembros de la comunidad científica, debido al prestigio de los hombres a quienes se enfrentaba. A continuación Gould perdió otras dos batallas parecidas, pero ganó otras dos que, más adelante, constituirían las bases de las demás patentes que le iban a otorgar. A fin de cuentas su compañía había pagado 300.000 dólares en gastos judiciales y la mayor parte de las solicitudes habían caído en el olvido. En 1977 recuperó de su compañía el derecho de sus patentes y comenzó a insistir en las solicitudes personalmente. Incapaz de seguir financiando sucesivas batallas legales, Gould cedió parte de sus derechos de patente a una agencia de licencias y patentes de Nueva York llamada Refac Technology Development Corporation, a cambio de que la agencia se comprometiese a seguir tramitando las solicitudes.

  • Los esfuerzos de Refac se vieron coronados al fin por el éxito. El 11 de octubre de 1977 le fue otorgada una patente a Gould relacionada con la técnica del bombeo óptico, es necesaria para el funcionamiento de muchos láseres. En 1979, Gould recibió una segunda patente que, al igual que la del bombeo óptico, hundía sus raíces en la solicitud de 1959 y cubría una amplia gama de aplicaciones del láser.

  • Cuando Gould recibió su patente relacionada con el sistema de bombeo óptico, el asombro fue enorme en la industria del láser. Las patentes de Townes y Schawlow acababan de caducar y los fabricantes de láseres creían que ya no se verían obligados a seguir pagando derechos por la utilización de conceptos básicos sobre el láser. Entre aquellos a quienes afectaban las nuevas patentes se encontraban numerosos fabricantes de láseres industriales, así como otros de aplicaciones bélicas basados en el sistema de bombeo óptico, y cuando Refac les exigió el 5 por ciento manifestaron que no estaban dispuestos a aceptar la validez de las patentes en cuestión. Apenas acababa de ser otorgada la primera patente, cuando se presentó una denuncia por uso indebido del sistema de bombeo óptico contra la denominada Control Láser Corporation, de Orlando, Florida, pero a los cuatro años no había llegado todavía el caso a los tribunales.

  • Maiman ha puntualizado que Schawlow, Townes o Gould no habían construido ningún láser cuando solicitaron sus respectivas patentes, ni lo hicieron tampoco en un futuro inmediato. Por otra parte, transcurridos más de veinte años (a principios de 1981), Gould y un colega suyo construyeron un láser sirviéndose -según Gould- de la información que aparecía en la solicitud de su patente y demás información e instrumentos de dominio público en el momento en que dicha patente fue solicitada en 1959. Apenas había acabado Gould de construir su láser y se disponía a mostrar ante los tribunales cuando surgió una nueva complicación. En el ejemplar de Science correspondiente al 3 de abril de 1981 apareció un informe de un grupo de científicos del Godard Space Flight Center de la NASA, encabezado por Michael Mumma, según el cual habían detectado amplificación láser por bombeo óptico en la atmósfera de Marte. El equipo de Mumma descubrió que la luz del sol produce una inversión de población el dióxido de carbono entre 75 y 90 km. sobre la superficie de Marte, provocando emisión estimulada amplificada -es decir, lo que nosotros denominamos amplificación láser- en la gama infrarroja. La Control Láser Corporation recibió la noticia con verdadero deleite, afirmando que el destello demostraba que la amplificación láser por bombeo óptico era fenómeno natural y por consiguiente no patentable.

  • Las solicitudes de patente más recientes de Gould están también plagadas de complejidades. El caso comenzó cuando Refac decidió entablar un juicio con una pequeña canadiense denominada Lumonics Inc., que se dedica a la fabricación de sistemas láser para grabar objetos. Entonces, la General Motors decidió intervenir en defensa Lumonics, y ahora parece haberse hecho cargo de la defensa del cargo. La GM alega que la patente no es válida, puesto que no se trata más de una extensión de un arte ya existente, que se remonta al año 212 A.C., cuando Arquímedes incendió la armada romana que sitiaba Sisa sirviéndose de una lupa. En esta situación se dan finalmente dos paradojas. Townes forma parte consejo de administración de la General Motors, si bien la no tomó parte en la decisión de intervenir en el pleito. Además fue Townes el primero en observar en 1973, las emanaciones infrarrojas de la atmósfera de Marte, que en 1980, el equipo de Mumma demostraría que procedían de amplificación.

Temas delicados

  • Uno de los factores que ha contribuido al difícil reconocimiento de las retribuciones de Gould al desarrollo del láser, es el hecho de que no se ajustase a los procedimientos tradicionales de la comunidad científica. Se espera que los científicos se ocupen de patentar sus descubrimientos, pero también que describan sus investigaciones sin pérdida de tiempo en alguna publicación científica, con el doble propósito de informar a los demás científicos y establecer la prioridad de su trabajo. Para justificar el hecho de no haberse ajustado a dichas normas, Gould habla de presiones cronológicas, el conflicto potencial entre publicar y obtener patentes extranjeras, y el hecho de que, a causa de los militares, gran parte de su información constituía un secrete de Estado. Lo ocurrido ha contribuido (y sigue haciéndolo) a que el papel de Gould en la historia del láser cayese parcialmente en el olvido.

  • Existe también otro aspecto sumamente delicado que hace referencia al trato de los estudiantes licenciados dedicados a la investigación. Muchos estudiantes se inspiran en ideas brindadas por sus catedráticos, pero también se da el caso de ciertos miembros de la facultad que están dispuestos a apropiarse las ideas de sus alumnos. Townes asegura que la mayoría de las ideas plasmadas en el cuaderno de Gould, así como en las solicitudes de sus patentes, son meras ampliaciones de las descripciones que Townes le ofreció en su día. Gould, por su parte, alega que sus ideas son originales.

  • A nivel personal todavía existe un evidente rencor entre ambos científicos. Townes dijo en fechas recientes que, en su opinión, son muchos los que han contribuido enormemente al desarrollo del láser, pero agregó que Gould no era uno de ellos. Gould afirma que Schawlow es «un individuo muy agradable» pero, aparte del comentario críptico «supongo que tiene sus necesidades», se niega a hablar de Townes. Cuando le preguntamos a Schawlow qué opinión le merecía Gould, el físico, por lo general repleto de jovialidad, se incomodó visiblemente y admitió que las solicitudes de patentes de Gould habían logrado disgustarle.

  • La concesión de las patentes le ha proporcionado a Gould satisfacción emocional y financiera. Al vender finalmente la parte que le correspondía de las patentes, ha conseguido 300.000 dólares al contado y dos millones de dólares en obligaciones. Los compradores son también personajes curiosos en el juego de las patentes; se trata de una empresa de Ardmore, Pennsylvania, que se denominaba Panelrama Corporation, y que con el fin de realizar la compra liquidó una cadena de tiendas al por menor que trabajaba con pérdidas. Entonces Panelrama cambió de nombre y pasó a llamarse Patlex Corporation, puesto que esencialmente sus intereses en las patentes de Gould constituyen su único negocio. En el caso de que dichas patentes entren en vigor, Patlex, Gould, Refac y los abogados de Nueva Jersey que se ocupan del caso compartirán los derechos reales, que podrían llegar a representar decenas o incluso centenares de millones de dólares durante el período en que se hallen en vigor las patentes. El propio Gould estima que dichas patentes podrían reportar unos 10 millones de dólares anuales, y su validez se extiende a lo largo de diecisiete años. Sin embargo, numerosos observadores en el mundo del láser creen que las solicitudes son excesivamente abstractas para tener validez y que incluso la patente relacionada con el bombeo óptico puede desmoronarse ante un concertado ataque jurídico.

  • Al igual que la mayoría de los pioneros del láser, Gould se ha dedicado a otros campos. En la actualidad, con sus sesenta años ya cumplidos, es vicepresidente de una pequeña empresa de Gaithersburg, Maryland, que se dedica a la fabricación de equipos destinados a comunicaciones por fibra óptica y que se denomina Optelecom Inc. Su cliente más importante es el ejército, pero Gould espera que llegue el día en que el beneficio de sus patentes le permita decidir el campo en el que desee investigar, sin tener que preocuparse de los deseos de los militares. Ahora que ha logrado la concesión de sus patentes, Gould ha comenzado a recibir premios tales como el de inventor del año, otorgado por la Asociación en pro del progreso de la invención y la innovación. Sin embargo, a Gould ya poco le importa. «Nada tienen que ver esas patentes con mi orgullo», asegura, aunque me gustaría sacarles algún dinero».

  • Tanto Townes como Schawlow han seguido brillantes carreras en el mundo académico y ambos han recibido innumerables premios. Townes es catedrático de física en la universidad de California, en Berkeley, y desde hace algún tiempo se ocupa primordialmente de radioastronomía y radiaciones infrarrojas, utilizando máseres y láseres para ciertos aspectos de su trabajo. Schawlow es catedrático de física en la universidad de Stanford, y utiliza láseres como herramientas para el estudio de las propiedades de la materia, sin ocuparse de los propios láseres. Gracias a su trabajo, Schawlow compartió con Nicolás Bloembergen -físico de la universidad de Harvard que también participó activamente en el desarrollo inicial del láser- el premio Nobel de física de 1981. Schawlow estaba de un humor excelente cuando hablamos con él el día en que se dio a conocer la noticia, puesto que ya no se vería obligado a aclarar que no había recibido ningún premio Nobel, como comúnmente, se suponía debido a su estrecha cooperación con Townes en el desarrollo del láser.

  • Después de muchos años en Korad Inc., Maiman acabó también distanciándose de los láseres. Intentó abrirse camino en varios campos y durante varios años trabajó como asesor independiente antes de unirse a la TRW Inc. en calidad de vicepresidente encargado de tecnología y nuevas . Muchos otros pioneros del láser, tales como Gordon, Zeiger y Weber, han abandonado a su vez la investigación activa en dicho campo.

  • Entre los primeros investigadores, los que siguen mas estrechamente vinculados con la investigación del láser son Basov y Prokhorov. Basov es director del instituto de física Lebedev, de Moscú, y miembro del Parlamento soviético. Prokhorov es subdirector del instituto Lebedpv. Ambos científicos dirigen grandes equipos dedicados a la investigación relacionada con el láser y sus nombres aparecen con regularidad en los artículos sobre dicho campo.

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Aspectos recientes

  • Se han observado mejoras en la modulación de ancho de banda, umbral de excitación, ruido relativo de intensidad, factor de realce de ancho de línea y estabilidad con la temperatura. La región activa del punto cuántico puede diseñarse para operar con diferentes longitudes de onda variando el tamaño y la composición del punto cuántico. Esto permite que este tipo de láser pueda fabricarse para operar en longitudes de onda imposibles de obtenerse con la tecnología de láser semiconductor actual.

  • Con esta tecnología, se ha desarrollado un láser de punto cuántico de hasta 10 Gbit/s para uso en comunicaciones ópticas de datos y redes ópticas que es insensible a la fluctuación de temperatura. El láser es capaz de operar a alta velocidad en longitudes de onda de 1.3 µm, en un rango de temperaturas de entre 20 °C y 70 °C. Trabaja en sistemas ópticos de transmisión de datos, LANs ópticos y sistemas de Red de Área Metropolitana. En comparación al desempeño de los láseres de pozo cuántico tensado convencionales del pasado, el nuevo láser de punto cuántico alcanza una estabilidad ante la temperatura perceptiblemente más alta.

Galería de Imágenes

Albert Einstein y Max Planck

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Willis Eugene Lamb y R. C. Rutherford

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R. Ladenberg

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Charles Townes

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James P. Gordon y Herbert J. Zeiger

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Nikolái Básov y Aleksandr Prójorov

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Arthur Leonard Schawlow

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Theodore Harold Maiman

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Gordon Gould

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Bibliografía: Historia

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FÍSICA

Profesor: Roberto Salgado Jiménez.

Equipo: Número Ocho.

Tema: ¿Cómo funciona el laser?

Anexo

LASER: What"s that?

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  • Light amplification by stimulated emission of radiation (LASER or laser) is a mechanism for emi

  • tting electromagnetic radiation, typically light or visible light, via the process of stimulated emission. The emitted laser light is (usually) a spatially coherent, narrow low-divergence beam that can be manipulated with lenses. In laser technology, "coherent light" denotes a light source that produces (emits) light of in-step waves of identical frequency, phase,[1] and polarization. The laser's beam of coherent light differentiates it from light sources that emit incoherent light beams, of random phase varying with time and position. Laser light is generally a narrow-wavelength electromagnetic spectrum monochromatic light; yet, there are lasers that emit a broad spectrum of light, or emit different wavelengths of light simultaneously.

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Laser Design

  • A laser consists of a gain medium inside a highly reflective optical cavity, as well as a means to supply energy to the gain medium. The gain medium is a material with properties that allow it to amplify light by stimulated emission. In its simplest form, a cavity consists of two mirrors arranged such that light bounces back and forth, each time passing through the gain medium. Typically one of the two mirrors, the output coupler, is partially transparent. The output laser beam is emitted through this mirror.

  • Light of a specific wavelength that passes through the gain medium is amplified (increases in power); the surrounding mirrors ensure that most of the light makes many passes through the gain medium, being amplified repeatedly. Part of the light that is between the mirrors (that is, within the cavity) passes through the partially transparent mirror and escapes as a beam of light.

  • The process of supplying the energy required for the amplification is called pumping. The energy is typically supplied as an electrical current or as light at a different wavelength. Such light may be provided by a flash lamp or perhaps another laser. Most practical lasers contain additional elements that affect properties such as the wavelength of the emitted light and the shape of the beam.

Laser physics

  • The gain medium of a laser is a material of controlled purity, size, concentration, and shape, which amplifies the beam by the process of stimulated emission. It can be of any state: gas, liquid, solid or plasma. The gain medium absorbs pump energy, which raises some electrons into higher-energy ("excited") quantum states. Particles can interact with light by either absorbing or emitting photons. Emission can be spontaneous or stimulated. In the latter case, the photon is emitted in the same direction as the light that is passing by. When the number of particles in one excited state exceeds the number of particles in some lower-energy state, population inversion is achieved and the amount of stimulated emission due to light that passes through is larger than the amount of absorption. Hence, the light is amplified. By itself, this makes an optical amplifier. When an optical amplifier is placed inside a resonant optical cavity, one obtains a laser.

  • The light generated by stimulated emission is very similar to the input signal in terms of wavelength, phase, and polarization. This gives laser light its characteristic coherence, and allows it to maintain the uniform polarization and often monochromatic established by the optical cavity design.

  • The optical cavity, a type of cavity resonator, contains a coherent beam of light between reflective surfaces so that the light passes through the gain medium more than once before it is emitted from the output aperture or lost to diffraction or absorption. As light circulates through the cavity, passing through the gain medium, if the gain (amplification) in the medium is stronger than the resonator losses, the power of the circulating light can rise exponentially. But each stimulated emission event returns a particle from its excited state to the ground state, reducing the capacity of the gain medium for further amplification. When this effect becomes strong, the gain is said to be saturated. The balance of pump power against gain saturation and cavity losses produces an equilibrium value of the laser power inside the cavity; this equilibrium determines the operating point of the laser. If the chosen pump power is too small, the gain is not sufficient to overcome the resonator losses, and the laser will emit only very small light powers. The minimum pump power needed to begin laser action is called the lasing threshold. The gain medium will amplify any photons passing through it, regardless of direction; but only the photons aligned with the cavity manage to pass more than once through the medium and so have significant amplification.

  • The beam in the cavity and the output beam of the laser, if they occur in free space rather than waveguides (as in an optical fiber laser), are, at best, low order Gaussian beams. However this is rarely the case with powerful lasers. If the beam is not a low-order Gaussian shape, the transverse modes of the beam can be described as a superposition of Hermite-Gaussian or Laguerre-Gaussian beams (for stable-cavity lasers). Unstable laser resonators on the other hand, have been shown to produce fractal shaped beams.[4] The beam may be highly collimated, that is being parallel without diverging. However, a perfectly collimated beam cannot be created, due to diffraction. The beam remains collimated over a distance which varies with the square of the beam diameter, and eventually diverges at an angle which varies inversely with the beam diameter. Thus, a beam generated by a small laboratory laser such as a helium-neon laser spreads to about 1.6 kilometers (1 mile) diameter if shone from the Earth to the Moon. By comparison, the output of a typical semiconductor laser, due to its small diameter, diverges almost as soon as it leaves the aperture, at an angle of anything up to 50°. However, such a divergent beam can be transformed into a collimated beam by means of a lens. In contrast, the light from non-laser light sources cannot be collimated by optics as well.

  • Although the laser phenomenon was discovered with the help of quantum physics, it is not essentially more quantum mechanical than other light sources. The operation of a free electron laser can be explained without reference to quantum mechanics.

Maser

  • In 1953, Charles Hard Townes and graduate students James P. Gordon and Herbert J. Zeiger produced the first microwave amplifier, a device operating on similar principles to the laser — but amplifying microwave radiation, rather than infrared or visible radiations; yet, Townes's maser was incapable of continuous output. Meanwhile, in the Soviet Union, Nikolái Basov and Aleksandr Prokhorov were independently working on the quantum oscillator and produced the first MASER when they solved the problem of continuous-output systems by using more than two energy levels. These MASER systems could release stimulated emissions without falling to the ground state, thus maintaining a population inversion. In 1955, Prokhorov and Basov suggested an optical pumping of a multi-level system as a method for obtaining the population inversion, later a main method of laser pumping.

  • Townes reports that several eminent physicists — among them Niels Bohr, John von Neumann, Isidor Rabi, Polykarp Kusch, and Llewellyn Thomas — argued the MASER violated Heisenberg's uncertainty principle and hence could not work. In 1964 Charles H.

 

 

Autor:

Leo Zahid Figueroa De Los Santos

Saúl Adrián Maldonado Ramo

Nabile Molina Miguel

Isabel Valle Chavelas

iza_valle[arroba]hotmail.com

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Artículo original: Monografías.com

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¿Cómo funciona el rayo láser?

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