TRAVELLING MICROSCOPE

La idea básica del láser consiste en que la energía térmica puede ser suficiente para provocar que los estados cuánticos de excitación sean poblados a un grado significativo dependiendo de la cantidad de energía térmica disponible y la cantidad necesaria para alcanzar el estado excitado.

Se demostrará más tarde que, si un nivel de energía se encuentra ΔE unidades de energía

(normalmente Joules) por encima del estado basal. Entonces la fracción de la especie total, representada mediante F, que se encuentra en estado excitado, se proporciona por la Ecuación III.1

Dónde T es la temperatura absoluta y K es la constante de Boltzmann. Si se supone que los dos estados de energía involucrados son no degenerados. Por otra parte, la degeneración debe

incluirse. Si se empleara la energía molar, entonces la ecuación sería de acuerdo a la Ecuación

III.2.

F = e –ΔE/RT III.2

Dónde R es la constante de los gases ideales. Por ejemplo, los niveles rotacionales de las

moléculas en fase gaseosa pueden excitarse térmicamente, de modo que el eigenestado rotacional más habitado no corresponde al estado J = 0. Los estados de energía vibracional a menudo se encuentran térmicamente poblados. Los niveles de energía electrónica rara vez se encuentran térmicamente poblados como consecuencia de que la mayoría de las temperaturas ambientales son tan bajas, respecto a la magnitud de la energía de excitación, que prácticamente todos los sistemas se encuentran en el estado electrónico basal. Los sistemas cuyos átomos o moléculas se rigen por la Ecuación III.1 se dice que se encuentran en equilibrio térmico. Cada posible nivel de energía posee cierta fracción de moléculas con dicho nivel de energía. Se dice que los niveles de energía tienen cierta población de sistemas que habitan dicha energía. La representación siguiente (Figura III.1) ilustra un sistema en equilibrio térmico.

El equilibrio térmico se encuentra caracterizado por este tipo de población de estados excitados a los que podría tenerse acceso sólo mediante energía térmica (Figura III.1). Cuanto más alto sea el nivel de energía, menor será la población. Un análisis estadístico indica que una disminución de la población de los niveles de energía es de naturaleza exponencial.

La base operativa del láser se fundamenta en una emisión espontánea, así como una emisión estimulada. Los sistemas en equilibrio térmico normalmente tienen más moléculas en estado de energía más bajo que en estado de energía más alto. Sin embargo, si se supone que cierto estado electrónico decae más lentamente. A este estado se le conoce como estado de larga duración o estado excitado metaestable. Asimismo, se puede llevar los átomos o moléculas a un estado excitado metaestable más rápido de lo que el estado cae. Bajo dichas circunstancias, es posible poblar el estado excitado a lo largo y por encima de la fracción dictada por el equilibrio térmico (Ecuación III.1). Dicha situación recibe el nombre de inversión de población (Figura III.2).

Figura III.2.- Inversión de población

Las inversiones de población pueden conseguirse por excitación luminosa, por descarga eléctrica o incluso por una reacción química. Normalmente, por lo menos tres niveles se necesitan para establecer una inversión de población. Se tiene el estado inicial de mínima energía (a veces, aunque no siempre, el estado basal) y un estado excitado inicial que se convierte rápidamente en un segundo estado excitado de larga duración de energía inferior. Entre el estado excitado de más baja energía y el estado basal se establece la inversión de población. En la Figura III.2 se puede

observar cómo se consigue una inversión de población cuando los niveles de energía más alta se encuentran más poblados de lo predicho por un equilibrio térmico (véase la Figura III.1). En este caso, el tercer nivel de energía experimenta una inversión de población. Las inversiones de población normalmente no se observan, pero pueden diseñarse con facilidad. El funcionamiento de todos los láseres requiere una inversión de población. Aun cuando se establece y se mantiene una inversión de población, todavía ocurre una emisión espontánea y una emisión estimulada. Sin embargo, la emisión estimulada constituye la clave. Un fotón de una longitud de onda particular estimula la emisión de otro fotón de la misma longitud de onda, que puede estimular la emisión de un fotón de la misma longitud de onda, que puede estimular la emisión de un fotón de la misma longitud de onda, que puede…; así se presenta la acumulación de un grupo de fotones, todos con la misma longitud de onda (y fase, según resulta). Puesto que todos estos fotones poseen la misma longitud de onda, el grupo de fotones se denomina monocromático (del mismo color).

Los fotones individuales normalmente tienen también las mismas propiedades de fase y polarización específica. Sin embargo, éstas son importantes en diversas aplicaciones de los láseres). El proceso, que se muestra enseguida (Figura III.3), recibe el nombre de luz amplificada por la emisión estimulada de radiación, que dio origen al acrónimo de láser. El primer láser fue construido por el físico estadounidense Theodore Maiman en 1960 utilizando una varilla de rubí. Si bien el concepto de emisión estimulada fue demostrado primero en 1953 por el físico Charles Townes de la Universidad de Columbia a base de la utilización de Amoniaco.

Figura III.3.- Efecto láser Medio del láser

Townes y sus colaboradores construyeron un dispositivo que amplificaba la radiación de microondas, valiéndose de un principio similar de emisión estimulada (amplificación de microondas…, lo cual condujo al término máser). En 1964, Townes compartió el premio Nobel

con los científicos soviéticos Alexander Prokhorov y Nikolai Basov, quienes desarrollaron

independientemente la teoría de los láseres.

Cuando se establece una inversión de población (Figura III.3), las emisiones estimuladas pueden construirse hasta que el número de fotones es extremadamente alto. Lo cual da como resultado una luz muy brillante. Este fenómeno recibe el nombre de luz amplificada por la emisión estimulada de radiación, o láser

En la Figura III.4 se muestra un esquema simplificado de un láser. Aunque la inversión de la población constituye la clave para generar una acción láser (lasing), el diseño de láser también es fundamental. En la mayoría de los casos, el material activo es tubular y cada uno de los extremos transversales del material da a un espejo. Estos dos espejos son importantes, ya que hacen que los fotones viajen de un lado a otro a través del medio láser. Por lo que aumentan las posibilidades de que éstos induzcan la emisión estimulada. Si uno de los espejos refleja 100% de los fotones y el otro sólo 95-99% de la luz (se transmite el restante 1-5%). La luz transmitida forma un rayo monocromático de muy alta intensidad. Este rayo láser emitido constituye una rica fuente de fotones de determinada energía.

Figura III.4.- Diagrama general de un láser

En la Figura III.4 los fotones brincan de un lado a otro dentro del medio de acción láser, se reflejan en los espejos en cada extremo y estimulan la producción de fotones de la misma

Fuente de poder 100% de reflejo en un espejo Fuente de excitación

Tubo de vidrio lleno con un medio de láser gaseoso o una varilla sólida de medio de láser

95-99% de reflejo en un espejo

longitud de onda y fase. Uno de los espejos deja fuera algunos de los fotones. Un análisis más completo de los láseres está fuera de nuestros objetivos. Por otra parte, vale la pena discutir unos cuantos puntos empleando láseres específicos como ejemplos. El primer láser fue construido alrededor de una varilla de rubí (Figura III.5). Puesto que esta transición ocurre a gran velocidad, rápidamente se establece una inversión de población y ocurre un pulso de acción láser a una longitud de onda de 649.3 nm, que se encuentra en la región roja del espectro. Normalmente, los cristales de rubí tienen una amplitud de unos cuantos milímetros y varios centímetros de longitud; todavía se les utiliza en algunos láseres. Como tres estados electrónicos individuales contribuyen

a la acción láser, el láser de rubí constituye un ejemplo de sistema láser de tres niveles. Si la

excitación electrónica es provocada por un pulso de luz, la acción láser resultante también constituye un pulso de luz láser. Éste es un ejemplo del láser pulsatorio. A éste también se le puede operar continuamente mediante la iluminación constante de una fuente de excitación. En dicha configuración, el láser de rubí es un ejemplo de láser de onda continua.

Figura III.5.- Láser de rubí

Las transiciones entre niveles de energía electrónica son los procesos más importantes que ocurren en Química y se comprenden bien en el caso de los sistemas atómicos. Por lo menos, existe una convención establecida respecto a la representación de los niveles de energía electrónica y un entendimiento bastante riguroso de las transiciones permitidas y prohibidas. En el caso de las moléculas, existe una convención basada en la tabla de caracteres para el grupo puntual de simetría, pero las generalizaciones en intervalos amplios resultan difíciles (excepto

Hückel). Gran parte del análisis de las transiciones electrónicas se circunscribe mejor a un análisis específico de dicha molécula, en lugar de un análisis general de espectroscopia electrónica (a diferencia de la espectroscopia rotacional y vibracional, que puede desarrollarse sin definir el sistema molecular). Las transiciones entre niveles de energía electrónica producen rayos láser, hecho que conocemos gracias al análisis de Einstein de las transiciones electrónicas (Figura III.1), pero la acción láser no se limita a transiciones de niveles de energía electrónica. Sin embargo, en la región visible del espectro, un láser representa un ejemplo moderno de la forma en que hemos sido capaces de entender y utilizar las transiciones entre niveles de energía electrónica de átomos y moléculas.