Un láser (del acrónimo inglés LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation; Luz amplificada por emisión de radiación estimulada) es un dispositivo que utiliza un efecto de la mecánica cuántica, la emisión inducida o estimulada, para generar un haz de luz coherente tanto espacial como temporalmente. La coherencia espacial se corresponde con la capacidad de un haz para permanecer con un pequeño tamaño al transmitirse por el vacío en largas distancias y la coherencia temporal se relaciona con la capacidad para concentrar la emisión en un rango espectral muy estrecho.
En 1915, Albert Einstein estableció los fundamentos para el desarrollo de los láseres y de sus predecesores, los máseres (que emiten microondas), utilizando la ley de radiación de Max Planck basada en los conceptos de emisión espontánea e inducida de radiación.
En 1928, Rudolf Landenburg informó haber obtenido la primera evidencia del fenómeno de emisión estimulada de radiación, aunque no pasó de ser una curiosidad de laboratorio, por lo que la teoría fue olvidada hasta después de la Segunda Guerra Mundial, cuando fue demostrada definitivamente por Willis Eugene Lamb y R. C. Rutherford.
En 1953, Charles H. Townes y los estudiantes de postgrado James P. Gordon y Herbert J. Zeiger construyeron el primer máser: un dispositivo que funcionaba con los mismos principios físicos que el láser pero que produce un haz coherente de microondas. El máser de Townes era incapaz de funcionar en continuo. Nikolái Básov y Aleksandr Prójorov de la Unión Soviética trabajaron independientemente en el oscilador cuántico y resolvieron el problema de obtener un máser de salida de luz continua, utilizando sistemas con más de dos niveles de energía.
Townes, Básov y Prójorov compartieron el Premio Nobel de Física en 1964 por «los trabajos fundamentales en el campo de la electrónica cuántica», los cuales condujeron a la construcción de osciladores y amplificadores basados en los principios de los máser-láser.
El primer láser fue uno de rubí y funcionó por primera vez el 16 de mayo de 1960. Fue construido por Theodore Maiman. El hecho de que sus resultados se publicaran con algún retraso en Nature, dio tiempo a la puesta en marcha de otros desarrollos paralelos. Por este motivo, Townes y Arthur Leonard Schawlow también son considerados inventores del láser, el cual patentaron en 1960. Dos años después, Robert Hall inventa el láser generado por semiconductor. En 1969 se encuentra la primera aplicación industrial del láser al ser utilizado en las soldaduras de los elementos de chapa en la fabricación de vehículos y, al año siguiente Gordon Gould patenta otras muchas aplicaciones prácticas para el láser.
El 16 de mayo de 1980, un grupo de físicos de la Universidad de Hull liderados por Geoffrey Pert registran la primera emisión láser en el rango de los rayos X. Pocos meses después se comienza a comercializar el disco compacto, donde un haz láser de baja potencia «lee» los datos codificados en forma de pequeños orificios (puntos y rayas) sobre un disco óptico con una cara reflectante. Posteriormente esa secuencia de datos digitales se transforma en una señal analógica permitiendo la escucha de los archivos musicales. En 1984, la tecnología desarrollada comienza a usarse en el campo del almacenamiento masivo de datos. En 1994, en el Reino Unido, se utiliza por primera vez la tecnología láser en cinemómetros para detectar conductores con exceso de velocidad. Posteriormente se extiende su uso por todo el mundo.
En 2002, científicos australianos «teletransportan» con éxito un haz de luz láser de un lugar a otro. Dos años después el escáner láser permite al Museo Británico efectuar exhibiciones virtuales. En 2006, científicos de Intel descubren la forma de trabajar con un chip láser hecho con silicio abriendo las puertas para el desarrollo de redes de comunicaciones mucho más rápidas y eficientes.
Un láser típico consta de tres elementos básicos de operación. Una cavidad óptica resonante, en la que la luz puede circular, que consta habitualmente de un par de espejos de los cuales uno es de alta reflectancia (cercana al 100 %) y otro conocido como acoplador, que tiene una reflectancia menor y que permite la salida de la radiación láser de la cavidad.
Dentro de esta cavidad resonante se sitúa un medio activo con ganancia óptica, que puede ser sólido, líquido o gaseoso (habitualmente el gas se encontrará en estado de plasma parcialmente ionizado) que es el encargado de amplificar la luz. Para poder amplificar la luz, este medio activo necesita un cierto aporte de energía, llamada comúnmente bombeo. Este bombeo es generalmente un haz de luz (bombeo óptico) o una corriente eléctrica (bombeo eléctrico).
La cavidad óptica resonante, conocida también como cavidad láser, existe en la gran mayoría de los dispositivos láser y sirve para mantener la luz circulando a través del medio activo el mayor número de veces posible. Generalmente está compuesta de dos espejos dieléctricos que permiten reflectividades controladas que pueden ser muy altas para determinadas longitudes de onda.
El espejo de alta reflectividad refleja cerca del 100 % de la luz que recibe y el espejo acoplador o de salida, un porcentaje ligeramente menor. Estos espejos pueden ser planos o con determinada curvatura, que cambia su régimen de estabilidad.
Según el tipo de láser, estos espejos se pueden construir en soportes de vidrio o cristales independientes o en el caso de algunos láseres de estado sólido pueden construirse directamente en las caras del medio activo, disminuyendo las necesidades de alineación posterior y las pérdidas por reflexión en las caras del medio activo.
Algunos láseres de excímero o la mayoría de los láser de nitrógeno, no utilizan una cavidad propiamente dicha, en lugar de ello un solo espejo reflector se utiliza para dirigir la luz hacia la apertura de salida. Otros láser como los construidos en microcavidades ópticas emplean fenómenos como la reflexión total interna para confinar la luz sin utilizar espejos.
El medio activo es el medio material donde se produce la amplificación óptica. Puede ser de muy diversos materiales y es el que determina en mayor medida las propiedades de la luz láser, longitud de onda, emisión continua o pulsada, potencia, etc.
El medio activo es donde ocurren los procesos de excitación (electrónica o de estados vibracionales) mediante bombeo de energía, emisión espontánea y emisión estimulada de radiación. Para que se dé la condición láser, es necesario que la ganancia óptica del medio activo sea superior a las pérdidas de la cavidad más las pérdidas del medio.
Dado que la ganancia óptica es el factor limitante en la eficiencia del láser, se tiende a buscar medios materiales que la maximicen, minimizando las pérdidas, es por esto que si bien casi cualquier material puede utilizarse como medio activo, solo algunas decenas de materiales son utilizados eficientemente para producir láseres.
Con mucha diferencia, los láseres más abundantes en el mundo son los de semiconductor. Pero también son muy comunes los láseres de estado sólido y en menos medida los de gas. Otros medios son utilizados principalmente en investigación o en aplicaciones industriales o médicas muy concretas.
Para que el medio activo pueda amplificar la radiación, es necesario excitar sus niveles electrónicos o vibracionales de alguna manera. Comúnmente un haz de luz (bombeo óptico) de una lámpara de descarga u otro láser o una corriente eléctrica (bombeo eléctrico) son empleados para alimentar al medio activo con la energía necesaria.
El bombeo óptico se utiliza habitualmente en láseres de estado sólido (cristales y vidrios) y láseres de colorante (líquidos y algunos polímeros) y el bombeo eléctrico es el preferido en láseres de semiconductor y de gas. En algunas raras ocasiones se utilizan otros esquemas de bombeo que le dan su nombre, por ejemplo a los láseres químicos o láseres de bombeo nuclear que utilizan la energía de la fisión nuclear.
Debido a las múltiples pérdidas de energía en todos los procesos involucrados, la potencia de bombeo siempre es mayor a la potencia de emisión láser.
Si bien existen varios mecanismos que producen emisión láser, se describe el ejemplo sencillo de un láser de cuatro niveles con bombeo óptico continuo, como puede ser el láser de neodimio.
En el estado inicial, la mayoría de los electrones se encuentran en el Estado fundamental y son excitados mediante un haz de luz de bombeo que contiene energía en las bandas de absorción del neodimio. Los electrones excitados en varios niveles se desexcitan rápidamente de forma no radiativa hacia un nivel metaestable, que en el caso del neodimio es el 4F3/2 donde permanece un tiempo relativamente largo, decayendo lentamente al nivel fundamental y al nivel 4I11/2. Si se cumplen ciertas condiciones en el material y la potencia de bombeo, es posible que se produzca la inversión de población, esto es, que existan más átomos excitados en el nivel 4F3/2 que los que están en el nivel inferior 4I11/2.
Desde el nivel metaestable 4F3/2 pueden desexcitarse espontáneamente algunos electrones que producen una emisión de luz a 1 064 nm. Algunos de estos se emiten en el ángulo correcto para reflejarse por los espejos de la cavidad un número elevado de veces. Estos fotones que se reflejan con el ángulo correcto pasan varias veces cerca de átomos excitados de neodimio y producen la emisión estimulada de radiación.
Si el medio activo se encuentra en la condición de inversión de población y las pérdidas de la cavidad son inferiores a la ganancia del medio activo, ocurre que al reflejarse en las paredes de la cavidad se produce una amplificación del primer fotón que se emitió espontáneamente. Tras un número determinado de reflexiones, la intensidad dentro de la cavidad es muy elevada, y las pequeñas perdidas del espejo acoplador son la radiación láser que emite el dispositivo.
Según la peligrosidad de los láseres y en función del Límite de Emisión Accesible (LEA) se pueden clasificar los láseres en las siguientes categorías de riesgo:
Cuando se inventaron, en 1960, los láseres se calificaron como «una solución a la espera de un problema». Desde entonces, se han vuelto omnipresentes y actualmente pueden encontrarse en miles de aplicaciones, en campos muy variados, como la electrónica de consumo, la tecnología de la información, la investigación científica, la medicina, la industria y el sector militar.
En muchas aplicaciones, los beneficios de los láseres se deben a sus propiedades físicas, como la coherencia, la monocromaticidad y la capacidad de alcanzar potencias extremadamente altas. A modo de ejemplo, un haz láser muy coherente puede enfocarse por debajo de su límite de difracción que, a longitudes de onda visibles, corresponde solamente a unos pocos nanómetros. Cuando se enfoca un haz de láser potente en un punto, este recibe una enorme densidad de energía. Esta propiedad permite al láser grabar gigabytes de información en las microscópicas cavidades de un CD, DVD o Blu-ray. También permite a un láser de media o baja potencia alcanzar intensidades muy altas y usarlo para cortar, quemar o incluso sublimar materiales. El rayo láser se emplea en el proceso de fabricación de grabar o marcar metales, plásticos y vidrio.
Atendiendo a la naturaleza de su medio activo, podemos clasificar los dispositivos láser en:
Estos láseres emplean típicamente vidrios, cristales o fibras dopadas como medio activo. Aunque los semiconductores son también de estado sólido, se suelen tomar en una categoría diferente. Algunos láseres de estado sólido son:
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