¿Cómo funciona un láser? Lo explicamos de forma sencilla
El término láser es un acrónimo que hace referencia a ‘light amplification by stimulated emission of radiation’, es decir, amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. Esto quiere decir, de forma simplificada, que el láser es un dispositivo que produce y amplifica la luz de una forma casi imposible de obtener por cualquier otro […]
Última modificación: 28 octubre 2023
El término láser es un acrónimo que hace referencia a ‘light amplification by stimulated emission of radiation’, es decir, amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. Esto quiere decir, de forma simplificada, que el láser es un dispositivo que produce y amplifica la luz de una forma casi imposible de obtener por cualquier otro medio.
Hace décadas, los primeros rayos láser podían producir potencias de unos 10.000 vatios como máximo. Hoy en día, los láseres actuales pueden producir pulsos miles de millones de veces más potentes. El National Ignition Facility de Estados Unidos puede generar más de 500 billones de vatios de potencia.
¿Cómo emite luz un átomo?
Antes de entender cómo funciona un láser, es necesario saber cómo un átomo emite luz. Los átomos son partículas diminutas con los que está hecha cualquier materia, como ocurre con las células en el caso de los seres vivos.
(Ilustración de explainthatstuff.com)
La mayor parte de la masa del átomo se concentra en el núcleo en el centro (en rojo), formado por protones y neutrones agrupados. Los electrones (en azul) están dispuestos alrededor del núcleo en capas (a veces llamadas orbitales o niveles de energía). Cuanta más energía tiene un electrón, más capas tiene y más lejos está del núcleo.
Los átomos emiten luz en un proceso de tres pasos (ver ilustración más arriba):
- 1. Empiezan en su estado fundamental, con los electrones en su lugar normal.
- 2. Cuando absorben energía, uno o más electrones son expulsados fuera del núcleo, más lejos de él, a niveles de energía más elevados. Decimos en este punto que el átomo “se excita”.
- 3. Sin embargo, un átomo excitado es inestable e intenta volver a su estado estable y fundamental, de manera que emite el exceso de energía que originalmente obtuvo como fotón de energía (línea verde ondulada): un paquete de luz.
Un láser, como veremos un poco más abajo en este post, sigue este proceso a gran escala: es una máquina que hace que miles de millones de átomos bombeen billones de fotones (partículas de luz) a la vez, de modo que se alinean para formar un haz de luz concentrado (la línea verde ondulada a gran escala).
Los componentes del láser
Un láser tiene tres partes básicas:
- 1. Una carga de átomos (un sólido, líquido o gas) con electrones a estimular alrededor del núcleo, como hemos visto. Esto se conoce como el medio láser o, a veces, el medio de amplificación o «ganancia» (porque “ganancia” es otra forma de referirse a la amplificación).
- 2. Algo con lo que estimular los átomos, como un tubo de flash (como la lámpara de flash de xenón en una cámara) u otro láser. Esto se denomina sistema de bombeo.
- 3. Una cavidad óptica, como un tubo de flash de una lámpara de xenón.
Un láser rojo típico, que generalmente es lo primero que nos viene a la cabeza cuando pensamos en un láser, contendría un cristal largo hecho de rubí (el medio láser, que se muestra en la ilustración de abajo como una barra roja) con un tubo de flash (líneas amarillas en zig-zag) envuelto alrededor de él. El tubo de flash se parece un poco a una tira de luz fluorescente, solo que está enrollado alrededor del cristal de rubí y parpadea de vez en cuando como una lámpara de flash de la cámara.
¿Cómo funciona el láser?
Ahora que ya hemos revisado cómo un átomo hace luz y qué componentes se necesitan para generar un haz de luz, podemos entender mejor cómo funciona un láser.
- 1. Un suministro eléctrico de alto voltaje hace que el tubo de flash (como el de una lámpara de xenón) se encienda y apague intermitentemente.
- 2. Cada vez que el tubo parpadea, «bombea» energía al cristal de rubí. Los flashes hacen que se inyecte energía en el cristal de rubí en forma de fotones.
- 3. Los átomos en el cristal (los puntos verdes grandes) absorben esta energía en un proceso llamado absorción. Los átomos absorben energía cuando sus electrones saltan a un nivel de energía más alto, como hemos visto anteriormente. Después de unos pocos milisegundos, los electrones vuelven a su nivel de energía original (estado fundamental) emitiendo un fotón de luz (los puntos azules más pequeños). Esto se llama emisión espontánea.
- 4. Los fotones emitidos por los átomos se acercan y alejan dentro del cristal de rubí, viajando a la velocidad de la luz.
- 5. En algunos momentos, uno de estos fotones estimula un átomo ya excitado. Cuando esto sucede, el átomo excitado emite un fotón y recuperamos también nuestro fotón original. Esto se llama emisión estimulada. En ese momento, un fotón de luz ha producido dos fotones de luz, así que ésta se ha amplificado (aumentado en fuerza). En otras palabras, la «amplificación de luz» (un aumento en la cantidad de luz) ha sido causada por «emisión estimulada de radiación», de la que hemos hablado al principio. De ahí el nombre “láser”.
- 6. Un espejo en un extremo del tubo láser mantiene los fotones rebotando hacia adelante y hacia atrás dentro del cristal.
- 7. Un espejo parcial en el otro extremo del tubo hace rebotar algunos fotones en el cristal, pero deja escapar a algunos.
- 8. Los fotones que escapan forman un haz muy concentrado luz láser muy potente, que es lo que se usa, por ejemplo, para cortar un tubo metálico.
Los usos del láser
Los láseres están en todas partes, desde lectores de códigos de barras que usan un láser para convertir un código de barras impreso en un número que un ordenador pueda procesar hasta impresoras o reproductores de DVD o CD en los que un rayo láser semiconductor rebota en el disco giratorio para convertir su patrón impreso de datos en números y un chip en un ordenador convierte estos números en imágenes y sonido. Desde el envío de grandes volúmenes de datos por internet gracias a los láseres de fibra óptica hasta máquinas de cirugía médica y cosmética (por ejemplo, extirpación de tumores o eliminación de varices) y maquinaria de corte de metales de las piezas que lleva nuestro coche.
También se han desarrollado importantes aplicaciones en defensa, y de hecho, utilizando láseres de estado sólido bombeados por LED, se puede llegar a destruir infraestructuras de un enemigo en una guerra de forma más económica y precisa que los misiles convencionales, y se espera un despliegue mayor de estos usos durante esta década.
