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Fundamentos físicos (continuación)

Diferencias entre la luz normal y el rayo láser (continuación)

n un láser, la luz la produce un gas o un sólido muy purificados, o un sólido con estructura cristalina; en ellos todos los átomos poseen los mismos niveles energéticos, por lo que todos los fotones generados poseen la misma energía y frecuencia.

Aparte de los láseres, existen otros sistemas de producción de luz monocromática, como las lámparas de descarga que emplean gases purificados, pero carecen de las otras dos características, monodireccionalidad y coherencia.

El último término es coherencia. Toda onda electromagnética, por su propia naturaleza de señal alterna, cambia constantemente de valor, variación que normalmente tiene forma de curva senoidal. La parte de la curva senoidal en que está la onda en un momento dado y en una posición dada se denomina fase. Tomando dos ondas de la misma dirección y frecuencia, normalmente cada una estará en una fase distinta.

Una, por ejemplo, puede hallarse en un máximo y la otra en un mínimo, en cuyo caso se anularían, o una con un valor instantáneo cero y la otra con un valor de 3/4 del máximo. También puede darse la situación en la que ambas señales tengan la misma fase y por tanto los mismos valores siempre, con lo cual el efecto resultante a escala macroscópica es similar a una onda con el doble de tamaño.

En la luz normal las ondas no se hallan en fase, y gran parte de la energía que llevan se pierde al anularse unas señales con otras. En cambio, en el láser todas las ondas tienen la misma fase, por esta razón se dice que es un haz coherente y la energía obtenida es la máxima posible, al no anularse ninguna onda.

Emisión estimulada de luz

Al explicar las interacciones entre fotones y átomos, se comentó la absorción de la energía de un fotón por un electrón y la emisión espontánea de energía por un electrón en forma de fotón. Existe una tercera interacción que es la emisión estimulada de fotones.

Ésta se produce cuando al lado de un electrón que se halla en un estado excitado, es decir, con una energía superior a la normal, pasa un fotón con una energía igual a la que posee el electrón excitado. Este paso del fotón «estimula» al electrón a pasar al nivel inferior de energía y a liberar un fotón con la misma dirección, frecuencia (ya que posee la misma energía) y fase que el fotón que estimuló la emisión, con lo cual ya hay dos fotones iguales.

Este tipo de emisión no se produce en condiciones normales. Cuando un electrón es excitado, vuelve muy rápidamente a su nivel normal. Este hecho, unido a que la energía recibida del exterior no suele ser lo suficientemente elevada como para proporcionar energía para todos los electrones del material, hace que haya más electrones en estado de reposo que excitados.

Todo fotón que entra tiene más posibilidades de encontrar un electrón en reposo que le absorba. En cambio, la posibilidad de encontrar uno excitado para originar una emisión estimulada es muy pequeña. La poca emisión estimulada que se produce se absorbe por otros electrones en reposo, anulándose dicho efecto.

La diferencia entre la luz producida por una emisión espontánea de un electrón que no necesita estímulo y una emisión estimulada, es que esta segunda genera un haz coherente.

En una emisión espontánea el electrón emite el fotón en un momento cualquiera, y los fotones no tienen por qué estar en fase, ni moverse en la misma dirección. En la emisión estimulada, el fotón incidente obliga a que se conserve la dirección, la frecuencia y la fase.

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