¿Cómo funciona un láser?

La luz natural

El secreto de  la  luz se esconde en el interior de los átomos. Cuando la  luz ilumina un objeto, transfiere energía a los electrones de sus átomos o  (dicho de otra manera) “excita” los electrones. Inmediatamente, los electrones excitados sueltan esta energía, que asume nuevamente la  forma de  luz emitida por el objeto. Es esta luz la  que llega a nuestros ojos y  nos permite ver el objeto. El color de  la  luz depende de la energía emitida por los átomos. Diferentes energías se corresponden a  ondas de  luz con diferentes frecuencias, que los ojos perciben como diferentes colores.

La  luz se puede imaginar como un conjunto de ondas, pero también como un conjunto de  partículas, los fotones. Desde este punto de  vista, la emisión de  luz se puede describir así: cuando un fotón choca con un átomo es “absorbido” por el átomo, el cual, como consecuencia, se excita; por otra parte, cuando el átomo se desexcita, vuelve a  emitir un fotón. La  frecuencia de  la onda (es  decir, el color de  la  luz) está relacionada con la energía del fotón. 

Del Sol a la bombilla

Normalmente, las fuentes de  luz emiten una mezcla de  diferentes frecuencias. Por ejemplo, la  luz blanca del Sol es en realidad la suma de un gran número de  colores, como se puede comprobar haciéndola pasar por un prisma. Además, las fuentes de  luz suelen emitir ondas en muchas direcciones diferentes. Por eso cuando encendemos un bombilla se ilumina toda la habitación. Finalmente, los átomos no se desexcitan todos al mismo tiempo. Entonces, las ondas emitidas no tienen todas la  misma “fase”: es decir, no oscilan de forma sincronizada. 

“Emisión estimulada”

A principios del siglo XX, el físico Albert Einstein descubrió una importante propiedad de los átomos excitados. Si un fotón con la energía “correcta” choca con un átomo que ya está excitado, éste no absorbe el fotón, sino que se desexcita inmediatamente y emite otro fotón idéntico al primero. Este proceso se llama “emisión estimulada”.

En términos de ondas, lo que pasa es que una onda con la frecuencia “correcta” interacciona con un átomo y  sale amplificada. La onda final es la suma de dos ondas absolutamente idénticas: con la misma frecuencia, dirección y fase.

“Inversión de población”

La emisión estimulada es un proceso provechoso: se empieza  con un fotón y  se acaba con dos. Si cada uno de estos dos fotones encontrase a su alrededor un átomo excitado, en el segundo paso se obtendrían 4 fotones. Si los fotones se encontraran en un ambiente con muchos átomos excitados, al cabo de unos cuantos choques el número de  fotones idénticos se multiplicaría enormemente. El problema es: ¿cómo obtener un conjunto de átomos excitados? Este objetivo se consigue con un proceso denominado “inversión de  población”. Consiste en inyectar energía a un conjunto de átomos de forma que la  población de electrones, que se encuentra en el estado de energía mínima, “salte” de golpe al estado excitado (“invierta” su estado energético). Este resultado se obtiene a  la  práctica poniendo los átomos en un contenedor cilíndrico y  rodeándolos de un tubo en espiral que emite un haz de  luz. 

“Cavidad láser”

Tras haber inducido la  inversión  de  población en un tubo lleno de átomos, solamente hace falta inyectar un fotón para producir la emisión estimulada. Sin embargo, una buena parte de los fotones producidos se escapan rápidamente del contenedor y  no se llega nunca a  un conjunto de  fotones idénticos lo suficiente grande. Para alcanzar este objetivo se ponen dos espejos en  las extremidades del tubo.

Así, se obtiene una “cavidad láser”: los fotones quedan atrapados y  empiezan a  rebotar en el tubo, produciendo nuevos fotones idénticos cada vez que chocan con átomos excitados. Para que un rayo láser pueda salir de  la  cavidad, uno de los dos espejos que se usa es “semireflectante”. Es  decir, deja escapar algunos de los fotones: estos constituyen el rayo láser.