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50 anos: del primer laser operativo: existe informacion amplia y confusa acerca de la historia del laser, que incluye variedad en cuanto a participantes, teoria y experimentos realizados. Este ano 2010 se cumplen cinco decadas del hecho historico de la fabricacion del primer laser operativo, en 1960.

[ILUSTRACION OMITIR]

Antecedentes

Laser son las siglas para Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, que hoy es una palabra que se usa con gran familiaridad cuando nos referimos a aplicaciones en medicina para cirugias oculares, telecomunicaciones por fibra optica, uso militar y civil y en audio y video como DVD, Blue Ray y discos compactos.

Einstein propuso en 1917 la emision estimulada en forma teorica, pero para un laser operativo se requeria amplificacion de la emision estimulada.

En los anos 50 se menciono poco el tema dentro de la teoria cuantica de la radiacion, con referencias ocasionales en la literatura tecnica como "absorcion negativa", que resultaba del proceso, pero con pocas ideas para ponerlo en uso.

En 1951 el fisico Charles Townes establecio las condiciones necesarias para amplificar la emision estimulada en microondas, que conduciria posteriormente al laser.

En 1954, Townes, Gordon y Zeiger tenian el primer maser (Microwave amplification by stimulated emission of radiation), que operaba en la Universidad de Columbia.

En 1957, Townes bosquejo lo que seria un "maser optico" y, junto a Arthur Schawlow, que trabajaba en Bell Labs, detallo planes para su construccion. Posteriormente, fue el rubi el primer medio exitoso en accion laser con un mecanismo sugerido originalmente por Schawlow y Townes.

En 1960, Theodore Maiman, fisico de Hughes Aircraft Company Research Laboratories, en California, ya habia trabajado un rubi sintetico como un cristal para un maser.

Otros investigadores habian descartado el rubi como candidato, debido a las caracteristicas de los atomos dentro del cristal, pero los calculos de Maiman los convencieron de que este operaria.

El rubi, ademas de ser una gema preciosa en su forma de corundum (forma de mineral de la que se derivan los zafiros y rubies), es una sustancia muy util para estudios opticos y puede ser sintetizada; su estructura es muy simple para estudiar y ademas los iones de cromo tienen propiedades magneticas y opticas que se utilizan facilmente.

Primeros pasos

Los primeros pasos que condujeron al desarrollo del laser fue determinar que en un cristal de rubi, cuando es excitado con luz verde, la mayoria de la energia retorna al estado base con la emision de una fluorescencia en rojo cerca de una longitud de onda de 690 nm (nanometros = [10.sup.-9] m). Un nanometro es 100, 000 veces menor a un cabello humano. Ademas, se logro demostrar que un vaciado significativo de la poblacion (cantidad de electrones en el estado base que entran en estado excitado) podria ser producido.

Estos desarrollos preliminares fueron reportados en la revista Physical Review Letters en junio de 1960, en la cual se menciona el procedimiento predominante que asegura fluorescencia de este material cuando es irradiada por una longitud de onda apropiada (ver figura 1).

Los calculos mostraron que se podian observar cambios en la poblacion en el estado estable del rubi, debido a la excitacion optica. Esto fue verificado con varios experimentos preliminares.

[FIGURA 1 OMITIR]

El cristal de rubi fue montado entre placas paralelas platinadas para formar una cavidad resonante. El coeficiente de reflexion de la cavidad fue monitoreado con un osciloscopio, mientras un pulso corto de luz (200 [micro]s) (microsegundo = [10.sup.-6] s) desde una lampara de destellos irradiaba el cristal. La magnitud de la absorcion decrecia abruptamente y los electrones excitados retornaban al equilibrio en un tiempo muy corto de 5 ms (milisegundo = [10.sup.-3] s). Se atribuyo este efecto a un vaciado temporal de la poblacion del estado base, con un subsecuente decaimiento al nivel de fluorescencia.

El paso siguiente fue producir en forma practica una inversion de la poblacion real y la emision estimulada y obtener asi un laser operativo. El exito de este experimento, realizado el 16 de mayo de 1960, fue anunciado dos meses despues de los desarrollos precedentes, primero en la revista Nature, luego reportado un poco mas extenso en la revista British Communications & Electronics, y finalmente discutido en detalle el ano siguiente en The Physical Review, en forma conjunta con Hoskins, D'Haenens, Asawa y Evtolov.

Para la fabricacion del primer laser operativo el problema fue la fuente de bombeo, pero no fue tan serio como anticiparon Schawlow y Townes, que pensaban en terminos de una linea aguda definida, pero si tenia el ancho de la banda [sup.4][F.sub.2] (primera banda de excitacion para lograr la inversion de la poblacion) en el rubi, que permitia un ambito de frecuencias.

Maiman y su grupo estimaron que la intensidad requerida para este cristal debia ser una iluminacion uniforme de radiacion isotropica de mas de 555 W/[cm.sup.2], requerida para producir emision estimulada.

Debido a la necesidad de una fuente de alta intensidad para producir emision estimulada en el rubi y por problemas de calentamiento, se utilizo una fuente pulsante. Los pulsos de luz excitadora son mas cortos comparados con el tiempo de vida de la fluorescencia; el requerimiento del tubo de destellos es que la energia debia ser 1,67 J/[cm.sup.2] (joules por centimetro cuadrado).

[FIGURA 2 OMITIR]

Las muestras de rubi eran cilindros de cerca de 0,952 cm de diametro y 1,9 cm de largo, con caras planas y paralelas dentro de [lambda]/3 (planitud en un tercio de la longitud de onda) a 694,3 nm.

Las muestras de rubi se apoyaron dentro de la helice del tubo de destellos, que a su vez se alojaba dentro de un cilindro de aluminio pulido. Se incluyo enfriamiento por aire forzado.

Los cilindros de rubi se recubrieron con plateado tipo espejo evaporado en cada extremo, para formar espejos, uno opaco y el otro semitransparente, o con un pequeno agujero en el centro.

Con la excitacion de alta intensidad se encontro que la naturaleza de la radiacion de salida de las muestras de rubi probadas se dividio en dos categorias. Asi, Maiman y sus colaboradores pudieron probar el potencial del laser con cristales casi perfectos.

Esta es la historia y la documentacion resumida del laser operativo, que por primera vez funciono en frecuencias opticas.

Luis Diego Marin Naranjo. Costarricense, Maestro en Ciencias. Investigador del Laboratorio de Fotonica y Tecnologia Laser de la Escuela de Ingenieria Electrica de la Universidad de Costa Rica. Este texto fue tomado de Crisol, Suplemento de Ciencia y Tecnologia, No. 235, mayo de 2010, del Semanario de la Universidad de Costa Rica, con el que Archipielago mantiene un convenio de mutua colaboracion.
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Title Annotation:CIENCIA Y TECNOLOGIA
Author:Marin Naranjo, Luis Diego
Publication:Archipielago
Date:Oct 1, 2010
Words:1168
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