Tipos de láseres

Desde que el 16 de Mayo de 1960 Theodore H “Ted” Maiman consiguiera hacer funcionar por primera vez un láser, en concreto un láser de rubí, en el Hughes Research Laboratories en Malibú (USA) la tecnología láser ha avanzado, y de hecho sigue avanzando, de forma incesante. Nuevos medios activos con mejores propiedades y emisiones en zonas del espectro electromagnético no alcanzadas hasta ahora, óptica más precisa y duradera, o sistemas láser de más potencia, son desarrollados continuamente tanto por compañías comerciales como por laboratorios de investigación. En este contexto, es un hecho que la tecnología que disponemos hoy en día será ampliamente mejorada en un horizonte de 10 años vista.

Ted Maiman y su láser de rubí

Ted Maiman y su láser de rubí

Para no perder el norte ante tantas novedades es importante tener claro los distintos tipos de láseres así como sus características más importantes. Una posible clasificación se podría hacer en función de la longitud de onda de emisión, o en función del tipo de medio activo. Sin embargo, los que trabajamos en interacción láser-materia preferimos una clasificación en función de la intensidad pico (potencia/área) que el sistema láser puede alcanzar, ya que ésta define los tipos de procesos que tendrán lugar en la interacción.

Pero paso a paso. Lo primero que tenemos que tener claro es que los láseres pueden ser continuos o pulsados. Los láseres continuos (CW lasers) están emitiendo de forma continua, valga la redundancia, radiación electromagnética, mientras que los pulsados (pulsed lasers) emiten pulsos de luz (lo podemos ver como “balas de luz”) con una duración temporal fija a una determinada tasa de repetición (número de pulsos por segundo).

PulsesTeniendo en cuenta que la intensidad es proporcional a la potencia, y que la potencia es la energía dividida por el tiempo, no es difícil imaginar que las intensidades picos generados por los láseres CW son muy bajas (del orden de cientos de MW/cm2). De forma muy general, a estas intensidades la interacción láser-materia es análoga al efecto fotoeléctrico: sólo si la energía de los fotones es superior al potencial de ionización del átomo o la molécula, se producirá su ionización. De hecho las ecuaciones que describen la interacción son las “Einstein rate equations”, no siendo necesario tener en cuenta la Mecánica Cuántica.

Photoelectrico

Sin embargo para los láseres pulsados la cosa no resulta tan sencilla. En 1962 R.W. Hellwarth y F.J. McClung demostraron experimentalmente la técnica de Q-switching, propuesta en 1958 por Gordon Gould, la cual permitió por primera vez la consecución de láseres pulsados, concretamente láseres de nanosegundo (1 ns=10-9 s) y potencias picos del orden de GW/cm2.

De forma muy sencilla, la técnica de Q-switching consiste en modificar la calidad del resonador láser permitiendo la acumulación de energía en él. Cuando no es posible acumular más energía, ésta se libera en un instante determinado consiguiendo pulsos de luz. A estas intensidades es posible la absorción simultánea de más de un fotón, siendo necesario el uso de la Mecánica Cuántica para una descripción correcta de la interacción láser-materia. En este contexto es importante darse cuenta de que el término “radiación ionizante” pierde su sentido. Toda radiación de cualquier longitud de onda puede ser potencialmente ionizante si la intensidad pico es lo suficientemente elevada como para permitir la absorción de varios fotones simultáneamente hasta superar el potencial de ionización.

Ionizacion_multifotonicaLa consecución de pulsos más cortos, pulsos de picosegundos (10-12 s) y femtosegundos (10-15 s), y por tanto con una mayor potencia pico, tuvo que esperar hasta 1963 cuando Logan E. Hargrove, Richard L. Fork y M.A. Pollack demostraron por primera vez la técnica de “mode-locking”. De forma general, toda función temporal puede ser descrita mediante sus componentes espectrales (sus frecuencias) usando análisis de Fourier, siendo mayor el número de frecuencias que tenemos que considerar cuanto menor sea la duración temporal de la función a describir. Igual sucede con los pulsos láser: cuanto menor es la duración temporal del pulso, mayor es el número de frecuencias (lo que se llama “laser bandwidth”) que el pulso contiene. Mediante la técnica de “mode-locking” se consigue “lockear” o poner en fase un número máximo de frecuencias en el cavidad del sistema consiguiendo por tanto pulsos ultracortos. Las potencia pico de los pulsos obtenidos mediante esta técnica se aproximan a la unidad atómica de intensidad (8.825.1017 W.cm-2). Es decir, la interacción laser-materia no sólo tiene lugar con los electrones del átomo sino que es posible distorsionar el potencial de Coulomb generado por el núcleo atómico induciendo fenómenos como “tunneling ionization” o “over barrier ionization”.

tunnelingEs interesante destacar que los láseres ultracortos no sólo inducen nuevos fenómenos por sus enormes intensidades pico, sino también por sus tiempos de interacción ultracortos. Por ejemplo, las vibraciones típicas de las moléculas se dan en decenas de femtosegundos lo que resulta “lento” para los láseres de pocos femtosegundos que disponemos hoy en día, siendo posible por tanto un estudio muy detallado de la dinámica molecular.

Otro ejemplo muy ilustrativo de la importancia de los tiempos de escala en los procesos de interacción láser-materia lo tenemos en la interacción con sólidos. Para que haya una disipación de calor efectiva la energía depositada por el láser tiene que transmitirse a la red cristalina, es decir, es necesario la activación de los fonones (modos de vibración) de la red. Estos fonones se activan en tiempos de escala de cientos de femtosegundos-picosegundos. Por tanto los láseres de femtosegundos “no calientan” la materia, no “la funden”, sino que “la subliman”. Esto es extremadamente importante cuando es necesario mucha precisión en un corte. Imaginemos un cirujano con un bisturí láser que quiere cortar el tejido dañado pero dejando intacto el tejido sano.

corteReducir aún más la duración temporal de los pulsos hasta attosegundos (10-18 s) o zeptosegundos (10-21 s) es extraordinariamente complejo. Pulsos tan cortos conllevan “bandwiths” enormes y hoy por hoy no hay ningún medio activo que proporcione tales anchos de banda. Es cierto que mediante técnicas como “High Harmonic Generation” es posible sintetizar pulso de attosegundos, pero experimentalmente es muy compleja tanto la generación como la caracterización de estos pulsos.

Una vez que hemos llegado a lo que hoy por hoy es tecnológicamente posible en términos de duración temporal, la ruta para obtener mayores intensidades pico pasa por conseguir mayores energías por pulso. Pero esto presenta un problema técnico importante: la óptica de un láser (espejos, lentes, etc) tiene un cierto umbral de daño que si se supera resulta fatal para estos elementos. ¿Cómo podemos por tanto aumentar la energía por pulso sin dañar la óptica del sistema?

La respuesta vino en 1995 cuando Gerard Mourou y Donna Strickland trabajando en la Universidad de Michigan co-inventaron la técnica “chirped pulse amplification” (CPA), que es una idea ciertamente elegante. Como la potencia es energía dividido por tiempo, para no sobrepasar el umbral de daño de los materiales, el pulso láser se “estira” temporalmente pasando de femtosegundos a cientos de picosegundos. Una vez “estirado” se amplifica, “recomprimiéndolo” temporalmente en una última etapa hasta su duración temporal original.

Mediante la técnica de CPA, u otras versiones parecidas pero todas manteniendo los mismo principios, se puede alcanzar potencias picos enormes. El récord de potencia lo tiene actualmente el láser de petavatio (1 PW=1015 W) Hercules de la Universidad de Michigan con 1022 W.cm-2. La Física con estás potencias tan descomunales es por supuesto relativista, dando lugar a fenómenos como la aceleración de partículas cargadas que tanta expectación están levantando en el mundo de la biomedicina (ver posts anteriores).

CPA

También, y esto es algo en lo que personalmente tengo muchas esperanzas, en el campo de Física de Partículas se están abriendo nuevas líneas. La idea a grandes rasgos es compensar las bajas probabilidades de los procesos en este campo con el enorme número de fotones que estos láseres tienen (del orden de 1020) y así entrar en el umbral de detección de los sistemas experimentales. Propuestas como estudiar la dinámica del vacío o la detección de neutrinos mediante láser, aunque hoy por hoy puedan resultar ciencia ficción, puede que no lo sean en un futuro muy pero que muy cercano. Sin ir más lejos, en diciembre en mi centro, el Centro Láseres Pulsados, tendrá lugar una conferencia para explorar nuevos caminos en Física Atómica y Nuclear utilizando láseres. Por supuesto, ¡estáis todos invitados!

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En resumen, aunque se puedan clasificar los láseres de muchas formas distintas parece lo más acertado hacerlo en función de su interacción con la materia y no en función de su longitud de onda de emisión.

Finalizo el post como un cuadro resumen y, como siempre, si tenéis alguna duda intentaré resolverla en los comentarios del post. ¡Hasta otra!

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10 Respuestas a “Tipos de láseres

  1. hola.
    pregunta a destiempo:
    entiendo que el LASER no es una radiación polarizada, ¿no?.
    ¿tiene o existe alguna utilidad en polarizar dicha emisión?
    ¿se podrían polarizar haces de radiación X de los que se usan en radioterapia (6-18 MV)?

    • Normalmente los espejos de los extremos de los láseres de gas se inclinan en el ángulo de Brewster (“ventana de Brewster“) para minimizar las pérdidas por reflexión y por tanto la luz viaja polarizada dentro de la cavidad. El haz que se emite (transmitido por el espejo) está por tanto normalmente polarizado, pero no tiene porqué siempre serlo, depende de la configuración del láser. Se pueden comprar láseres que emiten luz no polarizada, pero son un poco más caros.
      Aprovecho para felicitar al autor de esta entrada, y aunque suelo desayunar con fotones menos energéticos, la verdad es que disfruto leyendo vuestro blog. ¡Felicidades!

  2. Hola Amadeo,

    Te equivocas. Precisamente por como se genera, la radiación láser está altamente polarizada.

    Con respecto a la posible polarización de radiación X que se utiliza habitualmente, aunque posible el asunto no es nada sencillo debido a que es radiación muy energética y no existen materiales adecuados que funcionen como polarizadores. Otra opción es generar ya directamente radiación X polarizada mediante técnicas de interacción láser-materia. Te puedes dar una vuelta por otros posts míos en este blog para ver algunas ideas que hoy por hoy se están intentando.

    Un saludo!

    Álvaro

  3. Ahora que sacas el tema de la polarización…a los físicos que trabajamos en aplicaciones médicas de los rayos X muchas veces ni se nos pasa por la cabeza que este tipo de radiación pueda estar polarizada, pero curiosamente la detección de la polarización de los rayos X por Barkla en 1905 fue el primer experimento que se consideró una prueba de que eran ondas electromagnéticas al igual que la luz. Lo explica bastante bien el autor de este blog (lamentablemente en ingles):
    http://skullsinthestars.com/2009/06/06/barkla-shows-that-x-rays-have-polarization-1905/

    Por lo visto los rayos X emitidos en dirección perpendicular a la dirección de los electrones incidentes tienden a estar linealmente polarizados, aunque en un tubo normal de rayos X el grado de polarización es pequeño (5-10% según algunas fuentes) y en energías de radioterapia supongo será totalmente despreciable porque los rayox X se emiten en direcciones muy próximas a la de incidencia de los electrones.

    Pero incluso aunque los rayos X emitidos por la fuente sean totalmente no-polarizados, parece ser que pueden polarizarse cuando sufren dispersión. La polarización por dispersión es un fenómeno bien conocido con la luz y se suele explicar con electromagnetismo clásico, pero en el caso de los rayos X a mí me plantea dudas que quizá algún compañero que entienda de electrodinámica cuántica podría responderme algún día (aunque supongo que no es éste el sitio más indicado, que tampoco es plan de espantar a los lectores :)

  4. Muy interesante el post, pero tengo una pregunta que quizás es una trivialidad o una tontería.
    Con el tiempo la tecnología ha permitido crear láseres de cada vez menor longitud de onda.
    Existe algún limite teórico que impida crear un laser de rayos X, si no es así, hay alguien que lo este intentando y en ese caso la inversión de población necesaria como se consigue, no puede ser a nivel atómico, bandas de energía atómicas, sino que tendrá que ser a nivel nuclear invirtiendo la población que esta en “niveles nucleares”

    • Hola Luis! Me alegro que te haya gustado.

      Sobre lo que preguntas lo primero que tenemos que entender es que la radiación “primaria” de los dispositivos láseres suele ser infrarroja. Esto es así porque el gap de energía a superar para realizar la inversión de población es pequeño, y por la estructura de niveles propias de los medios activos.

      Una vez generada luz láser en el IR, mediante procesos no lineales se puede generar luz visible. Por ejemplo en un puntero láser verde común, la generación primaria es a 1064 nm pero hay una lámina no lineal que “junta” dos fotones de 1064 nm para generar uno verde a 532 nm.

      Para generar rayos X se utilizan los llamados “Free electron lasers”. Siendo estrictos no son propiamente láseres, ya que su funcionamiento se basa en cambiar la trayectoria de electrones previamente acelerados en un dispositivo llamado “undulator”. Estas cargas en movimiento al cambiar su dirección radian en Rayos X.

      Un saludo!

      Álvaro

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