Propiedades Cuánticas de la Luz

Los campos de la Física Atómica y Molecular están dominados por los procesos cuánticos. El tratamiento que se da aquí está limitado a una revisión sobre las características de la absorción, emisión, y emisión estimulada las cuales son esenciales para la comprensión de los láseres y sus aplicaciones.

Las transiciones atómicas que emiten o absorben luz visible son generalmente transiciones electrónicas, que se pueden describir en términos de saltos electrónicos entre niveles de energía atómica cuantizados.

Láseres

El proceso cuántico crucial, necesario para la operación de un láser, es la emisión estimulada de la luz.

Inversión de Población

Como precondición para que se efectúe la acción del láser, hay que conseguir una significativa inversión de población en los estados de energía atómico o molecular. Los electrones normalmente residen en el estado de energía mas bajo. Se pueden elevar a estados excitados por absorción, pero de esta manera solamente, no se puede recolectar una significativa cantidad de ellos, ya que tanto la emisión espontánea como la emisión estimulada, los llevará de nuevo de vuelta a su estado anterior.

La inversión de población no se puede conseguir con solo dos niveles, porque la probabilidad de absorción y emisión espontánea es exactamente la misma, como lo demostró Einstein y fueron expresados en los coeficientes de Einstein A y B. El tiempo de vida de un estado excitado es de unos 10^-8 segundos, de modo que en términos prácticos, tan pronto como se elevan los electrones a niveles superiores, caen de nuevo hacia abajo emitiendo fotones. El caso del láser de helio-neón ilustra una de las formas de obtener la inversión de población necesaria.

Luz Coherente

La luz ordinaria no es coherente, porque se trata de átomos independientes que emiten en escalas de tiempo de alrededor de 10-8 segundos. Hay grado de coherencia en fuentes como la línea verde del mercurio y algunas otras útiles fuentes espectrales, pero su coherencia no se acercar a la de un láser.

Luz Paralela de un Láser

La luz típica de un láser, emerge en un haz muy fino con muy poca divergencia. Otra forma de decir esto es que el haz está muy "colimado". Un láser de helio-neón de laboratorio ordinario, se puede proyectar sobre una pared de fondo y sobre una pared cercana dejando una marca roja del mismo tamaño. Sus rayos son muy paralelos.

El alto grado de colimación (paralelismo), surge del hecho de que en la cavidad del láser hay unos espejos enfrentados entre sí de forma casi paralela, limitando el haz final de láser en un camino que es perpendicular a los espejos. El espejo trasero está fabricado con un material casi perfectamente reflectante, mientras que el espejo frontal, es de alrededor del 99% reflectante, dejando salir un 1% del haz. Este 1% es el haz de rayo de salida que vemos. Pero la luz ha viajado muchas veces en ida y vuelta entre los espejos, con objeto de ganar en intensidad por la emisión estimulada de mas fotones con la misma longitud de onda. La mas ligera desviación de la luz fuera del eje, se perderá del haz.

La naturaleza altamente colimada del haz de láser contribuye tanto a su peligrosidad como a su utilidad. Nunca se debe mirar directamente al rayo láser, ya que los rayos altamente paralelos se pueden enfocar sobre un punto casi microscópico en la retina del ojo, causandole un daño casi instantáneo. Por otro lado, esta capacidad del láser para enfocar de forma nítida, contribuye tanto a aplicaciones médicas como aplicaciones industriales. En medicina se utiliza como un escalpelo afilado y en la industria como una herramienta controlable por ordenador de corte rápido y potente.

Luz de Láser Monocromática

La luz de un láser por lo general proviene de una transición atómica con solamente una longitud de onda precisa. Así que la luz del láser tiene un color espectral único y es casi la luz monocromática más pura disponible.

Dicho esto, la luz láser no es exactamente monocromática. La línea de emisión espectral de la que procede, aunque sólo sea por el efecto Doppler de los átomos o moléculas en movimiento del que proceden, tiene una anchura finita. Dado que la longitud de onda de la luz, es muy pequeña en comparación con el tamaño de las cavidades de láser que se utiliza, entonces, dentro de ese pequeño ancho de banda espectral de la línea de emisión, son muchos los modos de resonancia de la cavidad láser.

Características de la Luz Láser

1. Coherente. Partes diferentes del haz del láser están relacionadas en fase unas con otras. Estas relaciones de fase se mantiene suficientemente larga en el tiempo, para que los efectos de interferencia puede ser vistos o registrados fotográficamente. Esta propiedad de la coherencia es lo que hace posible los hologramas.

2. Monocromática. La luz láser consiste esencialmente en una sola longitud de onda, que tiene su origen en la emisión estimulada de un conjunto de niveles de energía atómica.

3. Colimada. Durante el rebote entre los espejos de los extremos de una cavidad de láser, ese camino que debe contribuir a la amplificación de la luz, se debe recorrer muchas veces y muy perpendicular a los espejos, de otra manera saldrán fuera del haz y se perderán. Como resultado, el haz del láser es muy estrecho y no se esparce mucho.