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Los láseres desempeñan un papel fundamental en el ámbito de la química, sirviendo como herramientas de precisión que desbloquean un sinfín de posibilidades dentro del paisaje molecular. Sus haces focalizados proporcionan a los científicos la capacidad de manipular y analizar sustancias a nivel atómico, ofreciendo una precisión inigualable en experimentos.
Desde la espectroscopia hasta reacciones inducidas por láser, estos haces de luz coherente iluminan la intricada danza de átomos y moléculas, permitiendo a los investigadores estudiar fenómenos químicos con una claridad sin precedentes. El matrimonio entre láseres y química impulsa el campo hacia nuevas fronteras, fomentando innovaciones y profundizando nuestra comprensión de los bloques fundamentales de la materia.
Un láser es un dispositivo que emite luz a través de un proceso de amplificación óptica basado en la emisión estimulada de radiación electromagnética. La palabra láser es un acrónimo que se originó como un acrónimo de amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. El primer láser fue construido en 1960 por Theodore Maiman en los Laboratorios de Investigación Hughes, basado en el trabajo teórico de Charles H. Townes y Arthur Leonard Schawlow.
Un láser difiere de otras fuentes de luz en que emite luz que es coherente. La coherencia espacial permite que un láser se enfoque en un punto estrecho, lo que habilita aplicaciones como corte láser y litografía. También permite que un haz láser permanezca estrecho sobre largas distancias (colimación), una característica utilizada en aplicaciones como punteros láser y lidar (detección y medición de luz).
Los láseres también pueden tener una alta coherencia temporal, lo que les permite emitir luz con un espectro de frecuencia muy estrecho. Alternativamente, la coherencia temporal se puede utilizar para producir pulsos de luz ultracortos con un espectro amplio, pero con duraciones tan cortas como un femtosegundo.
Los láseres se utilizan en unidades de disco óptico, impresoras láser, escáneres de códigos de barras, instrumentos de secuenciación de ADN, comunicación óptica de fibra óptica y de espacio libre, fabricación de chips semiconductores (fotolitografía), cirugía láser y tratamientos cutáneos, corte y soldadura de materiales, dispositivos militares y de aplicación de la ley para marcar objetivos y medir distancia y velocidad, y en pantallas de iluminación láser para entretenimiento.
Los láseres semiconductores en el rango azul al UV cercano también se han utilizado en lugar de los diodos emisores de luz (LED) para excitar fluorescencia como fuente de luz blanca; esto permite un área emisora mucho más pequeña debido a la radiación mucho mayor de un láser y evita la caída sufrida por los LED; tales dispositivos ya se utilizan en algunos faros de automóviles.
Antecedentes del láser
En 1917, Albert Einstein estableció los fundamentos teóricos para el láser y el maser en el artículo «Zur Quantentheorie der Strahlung» («Sobre la Teoría Cuántica de la Radiación»), mediante una rederivación de la ley de radiación de Max Planck, conceptualmente basada en coeficientes de probabilidad (coeficientes de Einstein) para la absorción, emisión espontánea y emisión estimulada de radiación electromagnética.
En 1928, Rudolf W. Ladenburg confirmó la existencia de los fenómenos de emisión estimulada y absorción negativa. En 1939, Valentin A. Fabrikant predijo el uso de la emisión estimulada para amplificar «ondas cortas». En 1947, Willis E. Lamb y R. C. Retherford encontraron aparente emisión estimulada en los espectros de hidrógeno y realizaron la primera demostración de emisión estimulada. En 1950, Alfred Kastler (Premio Nobel de Física 1966) propuso el método de bombeo óptico, que fue demostrado experimentalmente dos años después por Brossel, Kastler y Winter.
Maser
En 1951, Joseph Weber presentó un artículo sobre el uso de emisiones estimuladas para crear un amplificador de microondas en la Conferencia de Investigación de Tubos de Vacío del Instituto de Ingenieros de Radio de junio de 1952 en Ottawa, Ontario, Canadá. Después de esta presentación, RCA le pidió a Weber que ofreciera un seminario sobre esta idea, y Charles H. Townes le pidió una copia del artículo.
En 1953, Charles H. Townes y los estudiantes graduados James P. Gordon y Herbert J. Zeiger produjeron el primer amplificador de microondas, un dispositivo que opera según principios similares al láser, pero amplificando radiación de microondas en lugar de radiación infrarroja o visible. El maser de Townes no era capaz de una salida continua.
Mientras tanto, en la Unión Soviética, Nikolay Basov y Aleksandr Prokhorov estaban trabajando de manera independiente en el oscilador cuántico y resolvieron el problema de los sistemas de salida continua utilizando más de dos niveles de energía. Estos medios de ganancia podían liberar emisiones estimuladas entre un estado excitado y un estado excitado más bajo, no el estado fundamental, facilitando el mantenimiento de una inversión de población. En 1955, Prokhorov y Basov sugirieron el bombeo óptico de un sistema de varios niveles como un método para obtener la inversión de población, que más tarde se convirtió en un método principal de bombeo láser.
Townes informa que varios físicos eminentes, entre ellos Niels Bohr, John von Neumann y Llewellyn Thomas, argumentaron que el maser violaba el principio de incertidumbre de Heisenberg y, por lo tanto, no podía funcionar. Otros, como Isidor Rabi y Polykarp Kusch, esperaban que fuera poco práctico y que no valiera la pena el esfuerzo.
En 1964, Charles H. Townes, Nikolay Basov y Aleksandr Prokhorov compartieron el Premio Nobel de Física «por trabajos fundamentales en el campo de la electrónica cuántica, que ha llevado a la construcción de osciladores y amplificadores basados en el principio maser-láser».
Del maser al laser
En abril de 1957, el ingeniero japonés Jun-ichi Nishizawa propuso el concepto de un «maser óptico de semiconductor» en una solicitud de patente. Ese mismo año, Charles H. Townes y Arthur Leonard Schawlow, entonces en Bell Labs, comenzaron un estudio serio de «masers ópticos» en el infrarrojo.
A medida que las ideas se desarrollaban, abandonaron la radiación infrarroja para concentrarse en la luz visible. En 1958, Bell Labs presentó una solicitud de patente para su propuesto maser óptico; y Schawlow y Townes presentaron un manuscrito de sus cálculos teóricos a la Physical Review, que fue publicado en 1958.
Simultáneamente, el estudiante de posgrado de la Universidad de Columbia, Gordon Gould, estaba trabajando en su tesis doctoral sobre los niveles de energía del talio excitado. Cuando Gould y Townes se encontraron, hablaron sobre la emisión de radiación como un tema general; después, en noviembre de 1957, Gould registró sus ideas para un «láser», incluyendo el uso de un resonador abierto (posteriormente un componente esencial del dispositivo láser). Además, en 1958, Prokhorov propuso de manera independiente el uso de un resonador abierto, siendo la primera aparición publicada de esta idea. Mientras tanto, Schawlow y Townes habían decidido sobre un diseño de láser con resonador abierto, aparentemente sin conocer las publicaciones de Prokhorov y el trabajo no publicado de Gould.
El acrónimo láser
En una conferencia en 1959, Gordon Gould publicó por primera vez el acrónimo «LASER» en el artículo «The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation». La intención de Gould era que diferentes acrónimos «-ASER» se utilizaran para diferentes partes del espectro: «XASER» para rayos X, «UVASER» para ultravioleta, etc.
Sin embargo, «LASER» terminó convirtiéndose en el término genérico para dispositivos no microondas, aunque «RASER» fue brevemente popular para denotar dispositivos que emitían radiofrecuencias.
La polémica de la patente del láser
Las notas de Gould incluían posibles aplicaciones para un láser, como espectrometría, interferometría, radar y fusión nuclear. Continuó desarrollando la idea y presentó una solicitud de patente en abril de 1959. La Oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos (USPTO) denegó su solicitud y otorgó una patente a Bell Labs en 1960. Esto desencadenó una demanda de veintiocho años, con el prestigio científico y el dinero en juego.
Gould ganó su primera patente menor en 1977, pero no fue hasta 1987 que ganó la primera victoria significativa en una demanda de patentes cuando un juez federal ordenó a la USPTO que emitiera patentes a Gould para los dispositivos láser de bombeo óptico y descarga de gas. La cuestión de cómo asignar crédito por la invención del láser sigue sin resolverse según los historiadores.
Láser operacional
El 16 de mayo de 1960, Theodore H. Maiman operó el primer láser funcional en los Laboratorios de Investigación Hughes, en Malibú, California, superando a varios equipos de investigación, incluyendo los de Townes en la Universidad de Columbia, Arthur L. Schawlow en Bell Labs, y Gould en la compañía TRG (Technical Research Group).
El láser funcional de Maiman utilizaba un cristal sintético de rubí bombeado por lámpara de destello para producir luz láser roja con longitud de onda de 694 nanómetros. El dispositivo solo podía operar de forma pulsada debido a su diseño de bombeo de tres niveles. Más tarde ese año, el físico iraní Ali Javan, junto con William R. Bennett Jr. y Donald R. Herriott, construyó el primer láser de gas, utilizando helio y neón, capaz de operación continua en el infrarrojo (Patente de EE. UU. 3,149,290); posteriormente, Javan recibió el Premio Mundial de Ciencia Albert Einstein en 1993.
En 1962, Robert N. Hall demostró el primer láser semiconductor, hecho de arseniuro de galio y que emitía en la banda del infrarrojo cercano del espectro a 850 nm. Ese mismo año, Nick Holonyak Jr. demostró el primer láser semiconductor con una emisión visible.
Este primer láser semiconductor solo podía utilizarse en operación de haz pulsado y cuando se enfriaba a temperaturas de nitrógeno líquido (77 K). En 1970, Zhores Alferov, en la URSS, e Izuo Hayashi y Morton Panish de Bell Labs también desarrollaron de manera independiente láseres de diodo de operación continua a temperatura ambiente, utilizando la estructura de heterounión.
Evolución del láser
Desde los primeros días de la historia del láser, la investigación en láser ha producido una variedad de tipos de láser mejorados y especializados, optimizados para diferentes objetivos de rendimiento, que incluyen nuevos intervalos de longitudes de onda, máxima potencia de salida promedio, máxima energía y potencia de pulso pico, duración mínima de pulso de salida, ancho de línea mínimo, máxima eficiencia de potencia y costo mínimo
En 2015, los investigadores crearon un láser blanco, cuya luz es modulada por una nanoplaca sintética hecha de zinc, cadmio, azufre y selenio que puede emitir luz roja, verde y azul en proporciones variables, con cada longitud de onda abarcando 191 nm.
En 2017, investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft demostraron un láser de microondas de la unión Josephson de CA. Dado que el láser opera en el régimen de superconductividad, es más estable que otros láseres basados en semiconductores. El dispositivo tiene el potencial de aplicaciones en computación cuántica. En 2017, investigadores de la Universidad Técnica de Múnich demostraron el láser de bloqueo de modo más pequeño capaz de emitir pares de pulsos láser picosegundo con bloqueo de fase y una frecuencia de repetición de hasta 200 GHz.
En 2017, investigadores del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), junto con investigadores de EE. UU. de JILA, un instituto conjunto del Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder, establecieron un récord mundial al desarrollar un láser de fibra dopada con erbio con un ancho de línea de solo 10 milihertzios.
Para más información December 1958: Invention of the Laser
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