Historia del primer láser^[1]

 Hoy día sabemos que los láseres funcionan sobre la base de adicionar energía a los átomos o moléculas del medio activo (sólido, líquido o gaseoso) de tal modo que haya, en cierto instante, más átomos en un estado de energía elevado (estado excitado) que en un estado de energía más baja. A esta situación se la conoce como “inversión de población”. Cuando esto ocurre, los fotones (unidad energética de las ondas electromagnéticas) que atraviesan el material, estimulan más emisión de radiación de los átomos excitados que absorción por los átomos en el estado energético inferior, y por lo tanto, se produce la amplificación de la radiación entrante. Esta “emisión estimulada” es la base de los primeros máseres^[2] y de los actuales láseres^[3]. Si bien actualmente poseemos el conocimiento de la física de los láseres y éstos ya forman parte de nuestra vida cotidiana, ¿cómo se llegó a desarrollar el primero de ellos?

Theodore Maiman, físico que trabajaba en el Hughes Research Laboratory (en California), logró hacer funcionar el primer láser el 16 de mayo de 1960 al iluminar una pequeña barra de rubí sintético (óxido de aluminio impurificado con cromo) con una lámpara de flash de alta potencia. La barra era cilíndrica, y su tamaño era de, aproximadamente, unos 8 cm de largo y unos 5 mm de diámetro, con sus caras cubiertas por una fina película de plata. Desde hacía varios años, se venía teorizando sobre la posibilidad de obtener emisión estimulada en el espectro visible, aunque se pronosticaban dificultades para esta realización. Maiman envió rápidamente un breve reporte de su hallazgo a la revista Physical Review Letters, pero los editores de esta publicación lo rechazaron. Se decía que esto se debió a que la revista estaba recibiendo muchos trabajos sobre máseres para publicar, y ya había anunciado que cualquier nuevo trabajo sobre el tema sería dejado de lado. Sin embargo, tiempo después, Simon Pasternack (uno de sus editores de aquellos años) comentó que el trabajo fue rechazado porque Maiman había publicado, unos meses antes, un artículo sobre el estudio de la excitación de los niveles de energía del rubí con luz, y que, por lo tanto, el trabajo sobre la obtención del láser parecía ser más de lo mismo. La reacción de Pasternack es un ejemplo del limitado entendimiento que se tenía en ese momento de las posibles implicancias del láser. Ansioso por que se publicara su estudio, Maiman lo envío a la reconocida revista Nature, que, a pesar de ser tradicionalmente mucho más selectiva que Physical Review Letters, lo publicó el 6 de agosto de 1960.

Con el trabajo del primer láser aún en prensa, el Hughes Research Laboratory hizo el primer anuncio público a los medios de comunicación el 7 de julio de ese año. Esto produjo un gran revuelo, con discusiones en primera plana sobre posibles “rayos de la muerte”, aunque algunos científicos eran aún escépticos sobre el tema, tal vez por no haber tenido hasta ese momento la posibilidad de acceder al artículo completo de Nature. Otra fuente de duda provenía del hecho de que el artículo pionero de Maiman no reportaba la observación de un haz rojo brillante, tal como se esperaba. El experimento de Maiman estaba pensado para analizar el llamado “contenido espectral” de la luz emitida (grado de monocromaticidad) más que para ver un rayo de luz saliente. Sin embargo, poco tiempo después, tanto en los laboratorios de Hughes como en los laboratorios Bell, en Nueva Jersey, se reportaron los ahora conocidos rayos rojos del láser de rubí.

Existían varios aspectos del láser de Maiman que no habían sido considerados en los trabajos teóricos previos de Arthur Schawlow y Charles H. Townes (pioneros en la predicción teórica sobre acción láser) o siquiera discutidos por otros científicos antes de la demostración con el rubí. En primera instancia, Maiman utilizó una lámpara de flash cuya luz pulsada duraba apenas unos pocos milisegundos, con lo cual se producía acción láser no en forma continua sino durante el “prendido” de la lámpara. A pesar de esto, la energía de cada pulso era lo suficientemente grande para hacer visible el haz rojo. En poco tiempo, en el Hughes Laboratory se desarrolló una técnica que logró disminuir la duración del pulso láser de los pocos milisegundos a decenas de nanosegundos con la misma cantidad de energía total. Esto permitió llegar a potencias luminosas de 10¹⁵ watts (mil billones de watts). Esta intensidad tan alta permitió el florecimiento de nuevas experiencias en fotónica y en los llamados “efectos no lineales” en la interacción radiación-materia, tales como la generación de nuevas frecuencias a partir de otra frecuencia inicial distinta. Este efecto, pasó de ser una curiosidad de laboratorio a formar parte de un dispositivo que podemos usar en la vida diaria, como, por ejemplo, el puntero láser color verde.

Cuando apareció el primer láser, la comunidad de científicos e ingenieros no estaba preparada para tal evento. Una frase popular corría en esa época: se decía que “el láser era una solución en busca de un problema”. Pero uniendo el aporte de la óptica y la electrónica, los láseres abrieron nuevos campos en ciencia y tecnología. De hecho, luego de la publicación de Maiman, se produjo una verdadera catarata de logros en cuanto al funcionamiento de láseres continuos y pulsados en diversos materiales y distintas longitudes de onda (colores). Del vasto conjunto de estudios y experiencias sobre el desarrollo de estos tipos de láseres, decantaron los que actualmente se utilizan en laboratorios de ciencia, ingeniería, medicina y en la vida diaria, que son, fundamentalmente, los láseres de estado sólido y los de semiconductor. Estos últimos pueden verse en los lectores de código de barras, en las lectoras de CD/DVD, en las comunicaciones por fibras ópticas y en los populares punteros láser de color rojo. En particular, el viejo láser de rubí, fue utilizado en 1969 para medir la distancia tierra-luna enviando un pulso láser a un retrorreflector convenientemente ubicado en la superficie lunar por los tripulantes de la misión Apollo. El tiempo del viaje de ida y vuelta del haz permitió determinar la distancia a nuestro satélite con una precisión de 3 cm.

Hoy día se han encontrado láseres “naturales” en objetos astronómicos: se ha medido amplificación de luz infrarroja en el dióxido de carbono que se encuentra en las atmósferas de Marte y Venus, cuando este gas es excitado por la radiación solar. De manera similar, la intensa radiación de estrellas jóvenes genera emisión estimulada en los átomos de hidrógeno que forman parte de las nubes de gas que las rodean.

La publicación pionera de Maiman es tan corta y tiene tantas implicancias que puede ser considerada como la más importante por palabra de todas las que se han publicado en la revista Nature en los últimos cien años. Luego de medio siglo, los láseres producen hoy mayor densidad de potencia de lo que antes era posible, permiten medidas de distancia y tiempo más precisas, generan los pulsos más cortos y las temperaturas más bajas jamás logrados, permiten manipular objetos microscópicos y han llegado para quedarse en la medicina asistencial y en el desarrollo de la industria electrónica y de las comunicaciones por fibra óptica. Varios premios Nobel de las últimas dos décadas han sido otorgados a científicos cuyos trabajos se basaron directamente en aplicación o estudio de la física del láser.

[1] Traducido y adaptado por Dr. Daniel Schinca (Inv. Independiente CIC) de : Townes, Charles H. “The first laser”. En: Laura Garwin y Tim Lincoln (ed.), A Century of Nature: Twenty-One Discoveries that Changed Science and the World. Chicago, The University of Chicago Press, 2003.

[2] “Máser” es el acrónimo de microwave amplification by stimulated emission of radiation (amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación).

[3] “Láser” es el acrónimo de light amplification by stimulated emission of radiation (amplificación de luz por emisión estimulada de radiación).