Láser (Parte I, rayos paralelos)

Álvaro, amigo de El Tamiz, sugiere que hablemos de los láseres y, en particular, de si los rayos luminosos de un láser viajarán siempre paralelos (los experimentos que ha realizado Álvaro parecen demostrar que los rayos no son paralelos). Sin embargo, los láseres dan para tanto que hablar que vamos a dedicar una pequeña serie de Falacias a destruir mitos sobre ellos: en esta entrada hablaremos de qué es realmente un láser (y qué no es) y qué lo hace especial. En posteriores artículos hablaremos de falsas concepciones que aparecen en las películas.

Como siempre decimos – nuestro lema es Antes simplista que incomprensible. Si eres físico como yo, cierra los ojos o rechina los dientes, lo que prefieras. El Tamiz es así; hay muchos otros sitios que visitar en la red si no te gusta nuestro estilo.

La primera Falacia de la que hablaremos relacionada con la naturaleza de los láseres es la siguiente: La luz que sale de un láser es un haz de rayos paralelos.

Esta mala concepción, que sigue teniendo mucha gente, ha sido ya cuestionada por Álvaro con sus experimentos: en su correo nos cuenta cómo el haz que estudió aumentaba su diámetro 500 micras cada 275 metros de distancia. Si esos datos son correctos, es un láser de gran calidad – lo normal es una divergencia bastante más grande. De modo que empecemos por dejarlo claro: la luz que sale de un láser puede ser un haz de rayos prácticamente paralelos, o un cono estrecho, o un cono abierto como el de una linterna; sigue siendo láser independientemente de la forma con la que salga.

Láser militar de argón. Muchos láseres emiten luz colimada, pero esto no es un requisito.

Un haz de rayos paralelos se dice que está colimado. Lo que piensa la gente es que un haz de láser tiene que estar colimado para ser láser: falso. Por ejemplo,hay láseres que emiten un haz que diverge más de 50°: más abierto que muchas linternas. Lo que distingue al láser de una linterna no es que tenga un haz colimado.

De hecho, para ir desterrando todas las falacias sobre lo que es y no es un láser, definámoslo: un láser es un sistema que emite luz temporal y espacialmente coherente. Es decir, dicho en palabras más llanas, emite luz monocromática (de una sola frecuencia) que parece provenir de una fuente puntual. Como consecuencia de esta segunda característica, es muy fácil colimar un haz de láser, y ésa es probablemente la causa de la falsa concepción de que tiene que estar colimado para ser láser.

¿Cómo consigue esto el láser (que, por cierto, son las siglas de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación)?

Básicamente, un láser consta de una cámara en la que hay un medio que absorbe y emite fotones (por ejemplo, una mezcla de helio y neón) y que tiene dos espejos a los lados. Uno de los espejos es totalmente opaco, pero el otro deja pasar un 1% de la radiación que le llega desde la cámara, de modo que salga de ella. Además, los láseres tienen una fuente de energía que puede ser una lámpara o un elemento eléctrico que produzca una chispa.

Cuando la luz de la lámpara, o la chispa eléctrica, empieza a introducir energía en la cámara, los electrones de algunos átomos del medio ganan energía (seexcitan). Después los electrones vuelven a caer a su estado inicial y el átomo emite un fotón. Estos fotones son emitidos en direcciones aleatorias y muchos se pierden, pero algunos son emitidos más o menos en dirección de uno de los espejos. Esos fotones “afortunados” rebotan y vuelven a la cámara, donde pueden chocar con otro átomo.

Si este átomo tiene electrones excitados, al recibir el nuevo fotón emite otro de las mismas características que el que recibe (la razón de que no lo emita de otra manera supera a este artículo, pero tiene que ver con el hecho de que los fotones son bosones y, por lo tanto, tienen a “copiar” el estado cuántico de otros fotones). De modo que tenemos ahora dos fotones que van contra el espejo, rebotan, etc. Al cabo del tiempo, los fotones han recorrido miles de veces la cámara, chocado con muchísimos átomos y estimulado la emisión de otros fotones iguales a ellos. Algunos de estos fotones, cuando chocan con el espejo “translúcido” salen del láser y son la luz que vemos, pero normalmente han recorrido una gran distancia (incluso kilómetros) dentro de la pequeña cámara antes de salir.

Al final, lo que se tiene es una sola onda luminosa (no un conjunto de diferentes ondas como en el caso de una bombilla donde cada fotón hace “lo que le da la gana”), formada por fotones con prácticamente las mismas características (como por ejemplo su frecuencia, es decir, el color de la luz). Y puesto que los rayos han recorrido una distancia muy grande dentro de los espejos yendo y viniendo, cuando el rayo sale del láser es como si su fuente estuviera a gran distancia, es decir, puede considerarse proveniente de una fuente puntual (su tamaño es despreciable comparado con la distancia que nos separa de la fuente).

Si el haz proviene de una fuente puntual muy lejana, ¿por qué no son rayos paralelos? Porque al salir del láser la onda se difracta. No vamos a hablar aquí de este fenómeno físico pero, básicamente, al salir de la cámara de resonancia la onda luminosa interfiere consigo misma. El efecto es tanto mayor cuanto más estrecho es el haz. Es decir: dentro del aparato pueden conseguirse rayos casi paralelos en cualquier láser, pero al salir del láser la difracción “abre” el haz, de modo que los rayos ya no son paralelos. Si se quiere que vuelvan a ser casi paralelos, hace falta utilizar algún sistema óptico para conseguirlo – pero sigue siendo láser independientemente de que esto se haga o no. Si el láser es de mucha calidad (tiene un haz grueso y lentes muy buenas) entonces el haz saldrá muy bien colimado. Si es un láser barato (o no hace falta que el haz esté bien colimado porque va a usarse a cortas distancias) entonces no.

Pero es que, aunque la luz de un láser fuera “necesariamente” de rayos paralelos, esto no la haría tan especial. La luz que nos llega de las estrellas es mucho más “paralela” que la que sale de la mayoría de los láseres. La luz que nos llega de una estrella ha recorrido una distancia mucho mayor que la que recorre en el interior de un láser, de modo que es luz que proviene de una fuente puntual a una distancia gigantesca.

Los láseres que emiten un haz de rayos relativamente paralelos lo consiguen aprovechando el hecho de que la luz proviene de una fuente puntual. A la salida del sistema de espejos suele haber una lente que forma la imagen de la fuente puntual en el infinito. Dicho mal y pronto: probablemente alguna vez has usado una lupa para hacer converger la luz del Sol en un punto. La lente de un láser hace lo contrario – como la fuente es puntual, al pasar por la lente (de las características y en el lugar adecuados) los rayos que salen de la lente forman la imagen de ese punto en el infinito, es decir, salen (idealmente) paralelos. Ésta es otra manera de desmontar la falacia de los “rayos paralelos”: si los rayos que salen del láser fueran paralelos, ¿para qué haría falta esa lente? Y, dando la vuelta al argumento, ¿es que si quitamos la lente lo que sale ya no es láser?

Desde luego, para cualquier uso a distancias pequeñas, la luz de un láser “decente” como el que utilizó Álvaro puede aproximarse a un haz paralelo. Pero si se utilizase para, por ejemplo, enviar una señal a la Luna, cuando alcanzase la superficie de nuestro satélite tendría un diámetro de unos 700 metros…¡podríamos iluminar con él cincuenta campos de fútbol! Yo no llamaría a eso “rayos paralelos”, pero sigue siendo un láser. Y los láseres baratos que usamos de punteros muestran que no son paralelos en muchísima menos distancia. Lo mismo pasa con el láser de los reproductores de CD: llamar a su haz de luz “paralelo” es de un optimismo increíble.

¿Por qué entonces no podemos hacer lo mismo con una bombilla? ¿Por qué no se puede hacer una linterna de la que salga un haz de rayos paralelos, o casi paralelos, usando una lente?

Porque la linterna no es una fuente puntual. La única manera de tener un haz de rayos paralelos es si la fuente es puntual, o está tan lejos de nosotros que su tamaño es despreciable comparado con la distancia (como ocurre con una estrella). Si no es puntual, la lente forma una imagen de cada uno de los puntos de la fuente, de modo que los rayos no son paralelos. Podemos conseguir que el haz de la linterna no se abra demasiado (de hecho, como hemos dicho antes, hay linternas con haces más “paralelos” que los de algunos láseres), pero sólo hasta cierto punto. Pero si pudiéramos ver la luz de una linterna desde una distancia de diez años-luz, los rayos de la linterna parecerían prácticamente paralelos, como los de un láser “bueno”. Y sin embargo, seguiría sin ser láser.

La segunda diferencia, que no tiene que ver con esta falacia, es que la luz de la linterna tiene muchas ondas de frecuencias diferentes. El láser es una sola onda: todos los fotones están en el mismo estado. De modo que, idealmente (aunque no se consigue de manera perfecta) la luz del láser es monocromática. Ésta es una diferencia entre la luz de una estrella y un láser: la estrella no emite luz monocromática, el láser sí.

Además, puesto que el haz del láser proviene de una fuente puntual, puede utilizarse un sistema óptico para hacer que, en vez de ser rayos paralelos, converjan de nuevo en un punto. Así se consigue concentrar toda la potencia del láser en una superficie muy pequeña en el punto que se desee, consiguiendo una intensidad muy grande para (por ejemplo) quemar algo si la potencia es suficiente.

En la próxima entrega analizaremos algunas de las Falacias que aparecen en las películas de cine acerca de los láseres, desde las más burdas (como las de La Guerra de las Galaxias) hasta las más insidiosas (como los “sistemas de seguridad” con láseres).