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¿Cómo funciona el rayo láser? (página 2)




Enviado por Isabel Valle Chavelas



Partes: 1, 2

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 distancia 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 empresa
    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 distancia 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
    empresas 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 empresas 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 empresa 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 empresa 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 empresa 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 empresas. 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

http://www.wikipedia.com

https://www.monografias.com

http://www.google.com

http://www.lapiel.com

http://www.oftalmocom.com

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

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Partes: 1, 2
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