Laser CIENCIA

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Ciencia

Dispositivo de amplificación de radiación (v.) electromagnética por emisión estimulada, idéntico en funcionamiento al maser (v.), del que se diferencia únicamente en que las frecuencias a que se utiliza pertenecen a la región óptica del espectro (v.). Esta diferencia exige modificaciones tecnológicas, fundamentalmente en la estructura de la cavidad, cuyas dimensiones contendrán gran número de longitudes de onda (v.), dando lugar a problemas de interferencia (v.) en los numerosos modos propios, problemas que raramente surgen en el maser. Por otra parte, debido a esa pequeña longitud de onda de la radiación, ésta puede enfocarse fácilmente, lo que lleva consigo que la cavidad no tenga que ser completamente cerrada. El tipo más utilizado está constituido por dos espejos esféricos cóncavos idénticos (fig. 1), separados una distancia igual a su radio de curvatura, formando así un sistema confocal. Éste tiene la ventaja sobre el resonador constituido por un interferómetro Fabry-Pedrt, también utilizado, de que no es tan críticamente necesario el paralelismo de los espejos. Se utilizan también resonadores formados por dos espejos es-

féricos de radios RI y RZ (no necesariamente iguales) separados una distancia d. Estas tres longitudes, no obstante, no pueden ser arbitrarias, sino que para que la radiación quede confinada en el resonador, el punto de coordenadas d/Ri, d/RZ ha de quedar dentro de la zona señalada como estable en la fig. 2, que resume las condiciones de no dispersión.

Laser de estado sólido. El primer L. fue conseguido en 1960 utilizando una barra cilíndrica de rubí impurificada con cromo de unos 5 cm. de longitud. Sus dos extremos se hicieron semitransparentes, de forma que el mismo cristal constituía la cavidad. La inversión de población se consiguió por el "bombeo" provocado por la luz emitida por un tubo de xenón en forma de hélice rodeando la barra. Este tipo de l. sigue siendo uno de los más ampliamente utilizados y de mayor potencia. Posteriormente se han desarrollado numerosos l. de estado sólido con el mismo principio de operación, utilizando diferentes sustancias e introduciendo pequeñas modificaciones en el resonador, encaminadas fundamentalmente a un mayor aprovechamiento de la energía de bombeo. Si los extremos de la barra se hacen no reflectantes, el dispositivo funciona como un amplificador; si son cortados en ángulos de Brewster, en superficies o prismas reflectantes, el dispositivo funciona como oscilador.

Laser de gas. Inmediatamente después del l. de rubí se desarrolló en 1961 el primer l. de gas, utilizando como fuente energética de bombeo una descarga eléctrica en el seno de una mezcla de helio (90%) y neón (10%). Los electrones (v.) en la descarga excitan los átomos de He, que adquieren una variedad de estados; en el proceso normal de relajación de estos átomos, muchos de ellos quedan atrapados en un estado metastable (de tiempo de relajación muy grande) correspondiente al estado 2’S (v. ESPECTROSCOPIA). Son estos átomos de He los que, intercambiando energía por colisión con átomos de Ne, "bombean" a éstos al estado superior 2S, los cuales, al pasar por transición estimulada al nivel 2p, producen el efecto l., y cuya frecuencia corresponde al infrarrojo. Análogamente, por un cambio energético entre átomos de He en el estado metastable 21S y átomos de Ne, se excitan éstos al estado 3S, desde donde, por transición estimulada, pasan a estados 2p; se obtiene de esta forma un l. en la zona del rojo (6.328 A) que es el de uso más corriente. El de He-Ne descrito, juntamente con los de Ar ionizado y los de N2-C02, son los l. de gas más en uso.

Ofrece grandes perspectivas un tipo de l. cuyo desarrollo se ha iniciado recientemente, denominado de vapor metálico. Utiliza el vapor de un metal (cadmio, selenio, cinc, plomo, etc.) en el seno de una atmósfera de un gas inerte, tal como He. Se obtienen así l. de relativa alta energía y gran rendimiento, con posibilidades de funcionamiento a muy variadas frecuencias; los l. de He-Se, p. ej., emiten un total de 46 líneas en el espectro visible e infrarrojo próximo. Esta particularidad los hace útiles en las aplicaciones a la televisión y cinematografía en color.

Laser de inyección (o de semiconductor). Cuando una unión p-n de un semiconductor (v.) está atravesada por una corriente suficientemente intensa, en el sentido directo, inyecta en la unión portadores (electrones en la banda de conducción y huecos en la banda de valencia) cuya recombinación puede realizarse con emisión de radiación luminosa (diodo electroluminiscente). Este fenómeno, estimulado por un campo electromagnético, puede utilizarse como l., para lo cual basta con pulir dos caras, paralelas entre sí y perpendiculares a la unión, que se utilizan como resonador del tipo Fabry-Perot; el rayo l. emerge normalmente a una de estas caras hecha semitransparente. Para conseguir esta acción l. es necesario que el semiconductor sea de banda prohibida directa, es decir, que el fondo de la banda de conducción y el tope de la banda de valencia ocurran en un mismo punto del espacio K, o sea, deben corresponder al mismo valor del momento del cristal.

Este tipo de l., cuyo prototipo es el de GaAs, tiene las ventajas de su pequeño tamaño y facilidad de excitación. La puerza de la frecuencia, no obstante, es inferior a la de los l. antes citados, consecuencia lógica del hecho de que la transición l. no se efectúe entre dos niveles de sistemas cuánticos con pequeña interacción mutua, como ocurre en el l. de gas (el de más alta monocromaticidad); en la unión p-n los electrones y huecos ocupan una estrecha banda de niveles en el fondo y tope de las bandas de conducción y valencia respectivamente.

El mayor inconveniente que presentan los l. de semiconductores es la relativamente alta corriente necesaria para provocar suficiente inyección de portadores, lo cual, unido a la gran sensibilidad de los materiales semiconductores a la temperatura, hacen que sean sólo utilizables en impulsos de muy pequeña duración (del orden de la millonésima de segundo). Para obviar este inconveniente se ha desarrollado recientemente, bajo el mismo principio de funcionamiento, el l. de heterounión, mediante la inyección de portadores en una heteroestructura en lugar de una unión p-n simple; con ello se disminuye el espesor de la región activa y, por tanto, la corriente de inyección. Se espera que este tipo permita una amplia difusión del uso de l. en gran número de aplicaciones, dadas sus cualidades de bajo coste, pequeño tamaño y mínimo consumo, que hace posible su operación por medio de pilas secas.

Aplicaciones. El l., como instrumento de laboratorio en experimentos científicos básicos y como herramienta de trabajo en la industria y en la técnica, constituye la fuente luminosa más potente de que actualmente se dispone, lo que unido a su gran pureza cromática y alto grado de coherencia, lo hace insustituible en los trabajos de interferometría. Con estas técnicas pueden obtenerse, con potencias de unos pocos vatios, en el espacio de dimensiones de una longitud de onda, intensidades 10.000 veces mayores que la que se conseguiría con todo el espectro de la superficie del sol.

Mediante su uso se ha conseguido la medida de frecuencias del orden de 88.1012 Hz, y se ha podido medir la velocidad de la luz con error menor de 3 m/s., haciendo así posible el uso de un solo patrón para las medidas de tiempo y espacio. Se utiliza para la medida de velocidades de fluidos transparentes por métodos no destructivos (utilizando espacios del orden de la centésima de mm3). Es de gran utilidad en el estudio de materiales, en la óptica de medios no lineales, espectroscopia Roman, etc. Utilizando la gran presión de radiación a que pueden dar lugar, se ha conseguido recientemente la levitación y manejo, por medio de un rayo l., de pequeñas partículas, fenómeno que puede encontrar aplicación no sólo en el estudio microscópico de dichas partículas, sino también en la aceleración de partículas eléctricamente neutras, separación de isótopos, análisis de haces atómicos, etc.

La gran capacidad de concentración energética puede ser utilizada para la producción local de un plasma (v.) de temperatura suficientemente elevada para poder esperar producir reacciones de fusión controladas.

La propagación rectilínea del intenso haz luminoso se utiliza para problemas de alineación en topografía, industria, minería y telemetría espacial, habiéndose conseguido en este campo medir distancias Tierra-Luna con errores de algunos centímetros. Esta propiedad los hace también utilizables en comunicaciones entre satélites y privadas punto a punto, con ventaja sobre los haces hertzianos.

La aplicación del l. ha hecho una realidad las posibilidades prácticas de la holografía (obtención de la visión tridimensional mediante interferencias) tan prometedora, no sólo en el campo de la televisión y cine tridimensional, sino también como medio de almacenamiento de información de capacidad asombrosa (del orden de 1012 pulsós por cm3). Las posibilidades de la holografía en lo que

concierne al reconocimiento de formas da al l. otro vasto campo de aplicación en la generación de caracteres, copiadores, registradores de microfilms y sistemas de impresión, así como en la identificación de virus y bacterias en biología.

V.t.:ÁTOMO; INTERFERENCIAS; ÓPTICA; SEMICONDUCTORES; HOLOGRAFÍA; LUZ; ESPECTROSCOPIA; ESPECTROS.

M. RODRÍGUEZ VIDAL.

BIBL.: G. TROUP, Maseres y laseres, Madrid 1968; G. BIRNBAUM, Optical masers, Nueva York 1964; A. L. BLoom, Gas lasers, Nueva York 1968; C. H. GOOCH, Gallium arsenide lasers, Londres 1968; B. A. LANGYEL, Lasers, 2 ed. Nueva York 1971; W. K. PRATT, Laser communication systems, Nueva York 1969; D. C. SINCLAIR y W. E. BELL, Gas laser technology, Nueva York 1971; VARIOS, Le dossier des lasers, "Sciences et Avenir", París 1972; VARIOS, Lasers utilisant des matériaux actifs solides, "Acta Electronica", 10, n° 13, París 1966.