Page 769 - Física Tippens: Conceptos y Aplicaciones, Séptima Edición Revisada

750 Capítulo 38 La física moderna y el átomo

Láser y luz láser

El láser es una de las aplicaciones más útiles que se apoyan en la física cuántica y en el estudio del
átomo. La luz intensa, enfocada con mucha precisión y de naturaleza coherente, que emiten estos
dispositivos es el punto de partida de muchos avances científicos. En medicina, los oftalmólogos
debidamente capacitados pueden corregir la retina del ojo por medio de puntos de soldadura apli­
cados con un instrumento láser. La combinación de la luz láser con la óptica de fibras (véase la sec­
ción 35.6) está engendrando una revolución en el ámbito de la electrónica y las comunicaciones.
Se han desarrollado poderosos láser incluso para hacer pequeñas perforaciones en los diamantes.
El principio que sustenta el funcionamiento de los rayos láser es relativamente fácil de
comprender. Se trata de una simple aplicación de la teoría cuántica que ya fue expuesta en
este capítulo para los niveles de energía atómicos. Básicamente, hay tres formas en las que
los fotones pueden interactuar con la materia: (1) absorción, (2) emisión espontánea y (3)
emisión estimulada. Cada una de estas formas se describe en la figura 38.11.
La absorción y la emisión se explicaron en la sección anterior, donde se indicó que la
absorción de un fotón puede excitar a un átomo, elevando un electrón a un nivel energético
superior, como se muestra en la figura 38.11a. Dicho electrón se encuentra en un estado exci­
tado, pero posteriormente caerá a su nivel original y causará lo que se llama emisión espontá­
nea (véase la figura 38.1 Ib). En cada uno de los casos, el fotón absorbido o emitido tiene una
energía que se calcula con la expresión
Ez - El = hf
A la emisión espontánea se debe la luz que vemos en las lámparas y muchas otras fuentes tra­
dicionales de luz. Aun cuando la luz tiene una energía definida hf para un determinado fotón,
la luz total emitida consta de muchos fotones con energías variables. La emisión espontánea
produce luz que no es direccional y, por tanto, no puede enfocarse nítidamente.
La emisión estimulada brinda la clave del funcionamiento y la eficacia de los rayos láser. En
realidad, la palabra láser es una abreviatura de light amplification by stimulated emission ofra-
diation (amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación). Suponga que un átomo se
encuentra inicialmente en un estado excitado Er como se ve en la figura 38.1 le, y que un segundo
fotón, de energía hf = E0 — E incide sobre el átomo. Puesto que la energía del fotón que incide es
la misma que la energía de excitación del electrón, hay una probabilidad mayor de que el electrón
caiga a su nivel más bajo de energía y que emita un segundo fotón de la misma energía. Esa emisión
estimulada, cuando va acompañada de la existencia de un fotón incidente, tiene el efecto de producir
dos fotones a partir de un solo fotón incidente. Todos los fotones tienen la misma energía, dirección
y polarización. Estos fotones pueden, a su vez, estimular a otros átomos para que emitan fotones
similares. Por consiguiente, ocurre una reacción en cadena en la que un gran número de fotones de
luz son emitidos, lo cual da lugar a la luz intensa y coherente característica de los rayos láser.
Existen otros factores importantes para el funcionamiento eficiente de un láser. Por ejem­
plo, para que ocurra la emisión estimulada, los átomos de la sustancia que se utilice deben
encontrarse en un estado excitado. A temperatura ambiente, la mayoría de los átomos tienen
electrones en el nivel base y sólo unos cuantos en el nivel superior. Esta población normal se
muestra en la figura 38.12a. Proporcionando energía externa en forma de calor, de luz intensa
o de descargas eléctricas es posible invertir la población de electrones. En la figura 38.12b,
debido a una inversión de la población hay más electrones en el nivel energético superior que
en el inferior. Por tanto, las condiciones son propicias para estimular una avalancha de foto­
nes, todos de la misma frecuencia, que es posible dirigir con mucha facilidad.

----------O ----------Ei ----------(3----------£ , ----------<3----------E x h f

(a) Absorción (b) Emisión espontánea (c) Emisión estimulada
Figura 38.11 (a) Un electrón, originalmente en su estado base Ev es lanzado hacia un nivel más alto E debido a la absorción de un fotón,
(b) La emisión espontánea ocurre y se emite un fotón, h f = E2 - E y (c) La emisión estimulada ocurre cuando un fotón incidente de energía
h f origina la emisión de un segundo fotón de la misma energía.