Làser

El làser (acrònim anglès de Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation «amplificació de llum per emissió estimulada de radiació») és un aparell que utilitza un efecte quàntic, l'emissió estimulada, per emetre un raig de llum coherent, d'alta monocromaticitat i direccionalitat. Aquestes propietats el diferencien d'altres fonts de llum habituals, que emeten sempre llum incoherent o de molt baixa coherència. El primer làser funcional va ser un làser de robí, creat per Theodore H. Maiman el 1960 en el laboratori Hughes de Malibú, Califòrnia, i des de llavors ha conegut un desenvolupament extraordinari, introduint-se en nombroses aplicacions, des dels lectors de CD o lectors de codi de barres fins a sofisticats experiments de recerca en física.

Principi de funcionament

Tot làser es basa en dos fenòmens físics que es produeixen gràcies a dos elements que el formen: un és el procés d'emissió estimulada que té lloc a l'anomenat medi actiu (el medi que provoca l'emissió làser) i l'altre el procés d'amplificació i interferència que té lloc a la cavitat ressonant.

Quan un fotó interacciona amb un àtom es poden produir dos fenòmens: l'absorció o l'emissió estimulada. En el primer cas el fotó és absorbit per l'àtom i aquest augmenta la seva energia (un electró puja a un nivell energètic superior). En el segon cas l'àtom emet un fotó d'energia, longitud d'ona, direcció i fase idèntiques a les del fotó incident, de manera que abans de la interacció teníem un fotó i després en tenim dos d'idèntics. En el medi actiu del làser s'aconsegueix, jugant hàbilment amb els nivells electrònics dels àtoms, que el procés d'emissió estimulada superi el procés d'absorció; aquesta situació s'anomena inversió de població, és a dir, hi ha més àtoms en estats excitats que en estats de menor energia, de manera que si inicialment partim d'un sol fotó, després de passar a través del medi actiu n'haurem obtingut una quantitat considerable. Per aconseguir la inversió de població cal subministrar energia al medi actiu, procés que s'anomena bombeig i s'aconsegueix amb electricitat o llum (un flaix, un altre làser). En aquest punt és on entra en joc la cavitat ressonant o interferòmetre. Aquesta consisteix simplement en dos miralls col·locats als extrems del medi actiu; un d'aquests miralls és perfectament reflector i l'altre deixa passar una certa quantitat de llum, aquesta part de la llum és precisament la que surt del làser, la que nosaltres veiem i utilitzem. Però quin paper juguen els miralls? Si no hi hagués miralls el feix de llum que estem amplificant només passaria una vegada per l'interior del medi actiu, col·locant els miralls confinem el feix de llum i l'obliguem a realitzar un camí d'anada i tornada entre els miralls; a cada pas pel medi actiu el feix s'amplifica cada vegada més gràcies a l'emissió estimulada. Jugant hàbilment amb la distància entre miralls i la seva reflectivitat aconseguirem l'equilibri entre l'amplificació del feix i la pèrdua d'energia a través del mirall (la llum útil, que nosaltres veiem). Podem resumir el procés d'emissió làser amb un breu esquema:

El bombeig excita àtoms i ens crea inversió de població: més àtoms en estats excitats que en estats de menor energia.
Els àtoms es desexciten per emissió espontània i emeten fotons en qualsevol fase i direcció. La majoria d'aquests fotons es perden sense més efecte.
Algun dels fotons emesos surt aleatòriament en la direcció de l'eix de la cavitat ressonant i queda confinat pels miralls, viatjant endavant i endarrera per la cavitat.
En aquest "viatge" provoca l'emissió estimulada de nous fotons en interaccionar amb els àtoms del medi actiu (que recordem segueixen en inversió de població a causa del bombeig).
Les característiques de l'emissió estimulada ens asseguren que els nous fotons seran idèntics (en freqüència, fase i direcció) que l'original.
Els nous fotons s'afegeixen al procés iniciat pel primer fotó al pas 3.
La quantitat de fotons generada creix fins que s'equilibra amb les pèrdues de llum a través d'un dels miralls (la llum que aprofitem).
L'emissió espontània (aleatoria i omnidireccional) segueix tenint lloc, però és menyspreable comparada amb l'estimulada.

El feix dins la cavitat i el feix que surt, si no es condueixen per guies d'ones (com una fibra òptica), acostumen a ser feixos anomenats gaussians (és a dir, la intensitat de llum des del centre del feix cap als seus extrems té forma de campana de Gauss) i tenen una divergència normalment molt petita («s'obren» molt poc). La sortida del làser pot ser contínua en intensitat (anomenada CW, continous wave) o polsada mitjançant tècniques com la commutació Q (Q-switching), la sincronitació de modes (mode-locking) o la commutació de guany (gain switching). En funcionament polsat es poden assolir potències molt més altes.

En general els làsers emeten llum molt monocromàtica, però alguns tipus de làsers, com els làsers de colorants i alguns làsers d'estat sòlid produeixen llum en un ampli espectre de longituds d'ona; això els fa ideals per a generar polsos de llum extremadament curts, que actualment han assolit l'ordre d'un femtosegon (10^-15 segons).

Història i desenvolupament

La base del làser, l'emissió estimulada, fou establerta per Albert Einstein l'any 1926, quan derivà les equacions bàsiques per als processos d'interacció radiació-matèria (l'absorció, l'emissió estimulada i l'emissió espontània). Nogensmenys, la idea de combinar aquest procés amb una cavitat que l'amplifiqués no arribà fins després de la Segona Guerra Mundial.

El 1953, Charles H. Townes i els estudiants James P. Gordon i Herbert J. Zeiger van produir el primer màser, un aparell equivalent al làser però per produir microones i no llum visible. Aquest màser, però, no podia emetre radiació de forma continuada. Al mateix temps, Nikolai Basov i Aleksandr Prokhorov solucionaren els problemes de l'emissió contínua i aconseguiren crear un estat d'inversió de població permanent. Townes, Basov i Prokhorov guanyaren el Premi Nobel el 1964. A finals dels anys 1950 es començà a passar de les microones cap al visible, per intentar construir l'equivalent del màser per a la llum visible: el «màser òptic». El mateix Townes i Arthur Leonard Schawlow, al mateix temps que l'equip soviètic de Basov estudiaren diverses aplicacions de nous nivells electrònics dels àtoms i nous dissenys de cavitats ressonants.

Finalment, el primer làser funcional el dissenyà i construí el 1960 Theodore H. Maiman als laboratoris de recerca Hughes, a Malibú, Califòrnia, avançant-se als equips de Townes a la Universitat de Columbia i de Schawlow als laboratoris Bell. Maiman disseyà un cristall de robí amb un bombeig per flaix per produir una emissió làser vermella de 694 nm. Aquest làser, però, només podia funcioanr en règim polsat. Més endavant, l'iranià Ali Javan, juntament amb William Bennet i Donald Herriot, construí el primer làser de gas utilitzant heli i neó.

La idea de làsers de semiconductors fou proposada per Basov i Javan, i el primer diode làser el construí Robert N. Hall el 1962. El làser de Hall estava format per un diode d'arseniur de gal·li i alumini i emetia a 850 nm (en l'infraroig proper). Poc després apareixien els primers làsers de semiconductors d'emissió en el visible. Inicialment tots aquests làsers de semiconductors funcionaven en règim polsat; no fou fins el 1970 que aparegueren els primers en emissió contínua.

La primera aplicació quotidiana dels làsers fou per a lectors de codis de barres, iniciada el 1974. Posteriorment els lectors de CD, introduits el 1982, foren els primers dispositius amb làser que es convertiren en un aparell domèstic a gran escala.

Desenvolupaments recents

El 1992 es va aconseguir per primera vegada l'emissió làser sense mantenir el medi actiu en condicions d'inversió de població, en un gas de sodi, i una altra vegada el 1995 en un gas de rubidi, per diversos equips de recerca internacionals. Això s'aconseguí utilitzant un màser extern per provocar "transparència òptica" en el medi introduint i interferint destructivament transicions electròniques fonamentals entre dos estats, de manera que s'anul·lés la probabilitat d'absorció per als electrons fonamentals.

Els objectius actuals en la tecnologia i recerca del làser passen per obtenir noves freqüències d'emissió (especialment a freqüències petites, com el blau, el violat i fins i tot l'ultraviolat), aconseguir pulsos ultracurts, obtenir potències més elevades, tant en règim polsat com continu, i millorar l'eficiència (és a dir el quocient entre l'energia obtinguda i la subministrada a l'aparell).

Tipus de làsers

Els làsers es classifiquen bàsicament segons el tipus de medi actiu utilitzat:

Làsers de gas: el medi actiu és un gas. Molt habituals, com el làser d'He-Ne o el d'argó, presents en espectacles i discoteques. També el làser de CO₂, que pot arribar a grans potències.
- Làser d'He-Ne (543 nm i 633 nm)
- Làser d'argó (458 nm, 488 nm o 514,5 nm)
- Làser de diòxid de carboni (9,6 µm i 10,6 µm) fins a 100 kW, utilitzat en soldadura i metal·lúrgia.
- Làser TEA (llum ultraviolada, 337,1 nm)
- Làser de nitrogen
- Làser de monòxid de carboni, necessiten refrigeració, fins a 500 kW.

Làsers químics: el medi actiu es bombeja amb l'energia obtinguda de reaccions químiques.
- Làser de iodur d'oxigen (1.315 nm)
- Làser de fluorur d'hidrogen (2.700-2.900 nm)
- Làser de fluorur de deuteri (3.800 nm)

Làsers d'estat sòlid: el medi actiu es un sòlid. El primer làser, el de robí, era d'aquest tipus.
- Làser YAG dopat amb neodimi o YAG (1.064 nm, es pot doblar en freqüència per donar 532 nm)
- Làsers dopat amb iterbi, com Yb:YAG, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:SYS, Yb:BOYS o Yb:CaF2 (al voltant de 1.020-1.050 nm) el Yb:YAG pot assolir altes potències en pulsos ultracurts.
- Làser YAG dopat amb erbi (1.645 nm i 2.940 nm)
- Làser YAG dopat amb tuli (2.015 nm)
- Làser YAG dopat amb holmi (2.097 nm) molt usat en medicina.
- Làser de safir dopat amb titani o Ti:safir (molt sintonitzable) usat en espectroscopia.
- Làser de fibra dopat amb erbi, a partir de fibres òptiques i usat en comunicacions.

Làsers de semiconductor: utilitzen les transicions electròniques en un diode semiconductor. Són els més abundants, s'utilitzen en els lectors de CD i DVD, lectors de codis de barres, etc.
- Diodes làser (entre 405 nm i 1.550 nm)
- Làsers de cavitat externa.
- VCSEL o làsers d'emissió vertical, la tecnologia encara està en fase de desenvolupament.
- VECSEL o VCSEL de cavitat externa
- Làsers de cascada quàntica

Làsers d'excímers: làsers de gas que utilitzen molècules en estats excitats: F₂ (157 nm), ArF (193 nm), KrCl (222 nm), KrF (248 nm), XeCl (308 nm) i XeF (351 nm)

Làsers de colorants: Utilitzen un colorant orgànic com a medi actiu, molt sintonitzables. Alguns són: Rodamina 6G, fluoresceïna, coumarina, estilbè, umbel·liferona, tetracè o verd de malaquita.

Làsers d'electrons lliures: Utilitzen la radiació de frenada (bremsstrahlung) dels electrons, confinats amb camps magnètics.

Aplicacions dels làsers

En el moment de la seva invenció, el 1960, els làsers es consideraven "una solució que buscava un problema". Des de llavors, s'han tornat omnipresents, trobant utilitat en milers d'aplicacions altament variades i en tots els àmbits de la societat moderna, incloent-hi l'electrònica de consum, la tecnologia de la informació, la recerca, la medicina, la indústria, l'aplicació de la llei i les aplicacions militars. S'han considerat com un dels desenvolupaments tecnològics més influents del segle XX.

El 2004, excloent els làsers de diodes, a escala mundial es van vendre aproximadament 131.000 làsers, amb un valor de 2.190 milions de dòlars (Kincade i Anderson, 2005). En el mateix any es van vendre uns 733 milions de làsers de diodes, valorats en 3.200 milions de dòlars (Steele, 2005).

Els beneficis dels làsers en diverses aplicacions provenen de les seves propietats com la gran coherència, l'alta monocromaticitat o la capacitat d'assolir potències extremadament altes. Per exemple, un raig làser altament coherent es pot focalitzar fins al seu límit de difracció, que a longituds d'ona del visibles correspon a només uns pocs centenars de nanometres. Aquesta propietat permet que un làser enregistri gigabytes d'informació en els orificis microscòpics d'un DVD. També permet que un làser de potència modesta es pugui focalitzar a intensitats molt altes i ser utilitzat per tallar, cremar o fins i tot vaporitzar materials. Per exemple, un làser de granat d'alumini i itri dopat amb neodimi (YAG) amb duplicació de freqüència, que emet llum a 532 nm (verd) amb una potència de 10 W, és teòricament capaç d'aconseguir una intensitat de megavats per centímetre quadrat.

Algunes de les aplicacions més habituals dels làsers són:

Lectura i gravació en suports òptics digitals (CD, DVD, Laser Disc, etc.)
Lectura de codis (de barres, matricials, etc.)
Mesura de distàncies (telemetria)
Mesura de velocitats
Medicina (cirurgia, oftalmologia, dermatologia)
Tractament de materials (tall, soldadura, etc.)
Impressió: plaques offset, etc.
Telecomunicacions per fibra òptica
Caracterització de materials
Fusió nuclear
Holografia
Espectacles «so i llum»
Transmissió entre satèl·lits
Refredament de plasmes
Espectroscopia làser

Classes de protecció

Fins i tot els làsers de baixa potència (amb només uns pocs mil·livats de potència de sortida) poden ser perillosos per a la visió humana. A les longituds d'ona visibles, que la còrnia i la lent poden focalitzar bé, la coherència i poca divergència del làser impliquen que un feix làser pugui ser focalitzat per l'ull en un punt extremadament petit sobre la retina, provocant cremades localitzades i danys permanents en qüestió de segons, o fins i tot menys. Els làsers es classifiquen en classes de seguretat numerades des de I, inherentment segur, a IV, en què fins i tot la llum difosa pot provocar danys a l'ull o la pell. Els productes làsers disponibles per a produtes de consum habitual, com els reproductors de CD i els punters làser són normalment de classe I, II o III.