Historia de la ciencia
Charles Hard Townes
Nada impresionó tanto al imaginario colectivo como la aparición del rayo láser. El fenómeno de la luz láser fue predicho con mucha anticipación por la ciencia ficción, siendo llamado al principio el rayo de la muerte en La Guerra de Los Mundos en 1898. Pero la amplia variedad de aplicaciones que se tiene hoy, en todos los campos, es sorprendente, y rebasa con creces su posibilidad como arma.
Dentro de la compleja teoría que permitió el desarrollo del Laser, se encuentra una gran paradoja de la ciencia física de nuestro tiempo.
Antes de Einstein se pensaba que la luz eran sólo ondas electromagnéticas, pero muchos de los fenómenos de la luz no podían explicarse con el concepto de onda electromagnética. Cuando Plank descubrió los paquetes de energía que él llamó Cuantos, naciendo así la Mecánica Cuántica.
Einstein, en su serie de artículos de 1915, relacionando el fenómeno de los gases con los detalles inexplicables de la luz, Pensó que la luz estaba compuesto por paquetes de energía, que él llamó fotones, esto permitió explicar lo resultados que no encajaban con el concepto de ondas de luz, pero las ondas electromagnéticas siguieron explicando la mayoría de dichos fenómenos. Esto originó la dualidad de la luz, cuando a alguien la conviene que la luz puede estar formada con fotones, la toma así, y cuando no, puede ser ondas electromagnéticas. Pero estamos conscientes que esta dualidad debe cambiar, pero no hemos encontrado una solución más adecuada. Este fenómeno se ha podido aplicar a casi todas las formas de electromagnetismo.
La historia del surgimiento del Laser es breve, reciente y refleja la tendencia de los descubrimientos científicos que pronto seguirían. Por ejemplo, en la aparición del láser se encuentran involucrados una gran cantidad de científicos, que trabajando individualmente, fueron acumulando una a una las piezas de un rompecabezas que sólo dos científicos pudieron armar.
El primero fue Charles Hard Towes. Una mañana en la primavera de 1951 se despertó, a las cinco y media de la mañana, en un pequeño hotel de Washington D.C. Salió del cuarto y caminó hasta la plaza Franklin esperando aclarar le problema que esperaba resolver.
Hard Townes se encontraba precediendo una reunión de físicos e ingenieros que el Ejército de los Estradoa Unidos había organizado, con el propósito de encontrar la forma de generar ondas muy cortas y de una frecuencia tan alta que ninguna válvula de radar (Termiónica o bulbo) podría producir.
Townes nació en Greenville (California del Sur) el 28 de Julio de 1915. Obtuvo la licenciatura en la Universidad de Duke, doctorándose en el Instituto Tecnológico de California (CalTech) en 1939. Durante la Segunda Guerra Mundial trabajando en los Laboratorios Bell, con grandes especialistas del “Estado sólido”, ocupándose de radares y microondas.
Esa mañana fría de 1951 Townes reflexionaba sobre el escrito de Albert Einstein de 1917. En dicho artículo Einstein, remarcaba la gran amplificación que podría obtenerse en una emisión estimulada de radiaciones.
Repentinamente Townes captó la idea que pudo servir para fundamentar lo que nueve años después se volvería el “Microwever amplification by stimulated emission of radiation”. Por sus siglas en ingles MASER.
Se apresuró a escribir unas fórmulas en su libreta, enseguida las guardó en su abrigo y regresó al hotel. Ni ese día ni durante el resto de la reunión, Townes habló sobre el asunto.
Como sabemos el átomo se compone de un núcleo compacto en el centro y a su alrededor una vasta área (en comparación al tamaño del núcleo) donde circulan los electrones. Cada electrón tiene un nivel o ruta determinada al girar alrededor del núcleo, en un átomo relajado, o estado normal.
Cuando el átomo se éxito, generalmente al recibir y absorber una onda de luz (o fotón), este se carga de energía. Para que el átomo pueda almacenar dicha energía los electrones se aleja un poco más el núcleo, salta a la órbita inmediata superior, quedando por unos momentos inestable.
El estado de excitación es breve, sólo fracciones de segundo, el electrón regresa a su estado relajado después que el átomo emita una foto (u onda de luz) de una frecuencia y características específicas para ese elemento o molécula. Todo objeto que desprenda luz, desde el sol hasta el foco incandescente se basa en este fenómeno.
El fenómeno se conoce como “emisión”, era conocido desde principio del siglo XX. Después de la absorción del fotón por el átomo, la emisión puede ser natural o inducida. La natural se produce. La emisión inducida ocurre cuando un átomo excitado (que absorbió un fotón) recibe otro fotón. Al no poder con la carga energética desprende los dos fotones y regresa al estado relajado, pero estas dos nuevas ondas de luz salen con una misma frecuencia y longitud de onda, sumando sus fuerzas al estimularse una a otra.
El fenomeno de absorción, estado excitado y emisión´.
Lo que Townes visualizó esa mañana no fue realmente este fenómeno sino una cámara de resonancia. Han visto una guitarra, pues la caja que compone la mayor parte del cuerpo del instrumento es una simple caja de resonancia, su función es atrapar las ondas de sonido y, chocando unas con otras, adquieran fuerza y se pueden escuchar por el público. La diferencia es que dentro de la cámara, con cierto tamaña crítico, las ondas de luz puedan rebotar acumulando fuerza para después hacerlas salir de la cámara como un compacto rayo de luz, donde todas las ondas tuvieran la misma dirección, frecuencia y lomngitud.
Del maser al Láser
El láser se define como oscilaciones ópticas integradas por un centro amplificador y por una cavidad de resonancia. Antes de 1951 ya existían antecedentes para el Láser. Por una parte, Einstein mencionó en 1917 que la emisión estimulada podría servir como amplificaciones de radiación, hecho que se demostró experimentalmente de 1925. La cavidad óptica por el físico francés Febry y Pérot desde finales del siglo pasado.
Cuando Charles Hard tuvo la idea de unir estos dos conceptos para fabricar un aparato amplificador. Pero cuando comentó la idea a sus compañeros de la Universidad de Columbia, en Nueva York, ellos la tomaron con indiferencia.
Townes no se desanimó, decidió probar gases con el fin de encontrar uno que sirviera como amplificador de microondas. Después de tres años encontró que el amonio (NH³) se prestaba a la perfección para esto. Dicho gas tiene sus tres hidrógenos en los extremos formando un triángulo; el nitrógeno, por su parte, puede alterar su posición con respecto al plano triangular invirtiéndose, volviendo enseguida a su posición original. Este fenómeno se conoce como vibración y ocurre 24 mil millones de veces por segundo. Townes imaginó que sí estas moléculas podían desprender una radiación esta sería proporcional a sus vibraciones, o sea de 2 milímetros y medio de longitud, quedando dentro del rango de las microondas.
La “emisión estimulada” ocurre cuando una molécula alterada recibe un fotón más, el átomo o molécula no puede con toda la carga energética y desprende dos fotones u ondas electromagnéticas, con la misma dirección, longitud de onda y frecuencia, tan características del elemento del cual se originan que puede ser identificado por la luz que emite.
Townes introdujo el amoniaco en una cavidad y al conseguir la emisión inducida logró que las ondas electromagnéticas generadas quedaran atrapadas en la cavidad de resonancia, rebotando de un lado al otro acumulando fuerza y aumentando su número. Al abrir la cavidad salía un rayo de microondas muy concentrado y de una pureza inigualable.
El Maser ( Amplificación de microondas por emisión estimulada) se convirtió en realidad en 1954, demostrando su gran utilidad de inmediato. Pero existía un problema, el Maser era intermitente, necesitaba tiempo para recargarse y generar otro rayo de microondas. Pero un americano que trabajaba en la Universidad de Harvar resolvió el problema. Usó un gas con tres niveles energéticos, esto es que el electrón pudiera subir tres orbitas y por lo tanto absorber dos fotones antes de la emisión espontanea. Así mientras uno de los niveles estaba emitiendo y otro se preparaba para absorber fotones, existía otro nivel cargado y listo para emitir.
Alexander Projorov y Nikolai Basov consiguieron resultados similares a los de Townes en Moscú. El Premio Nobel fue compartido por ellos tres en 1964.
El concepto del láser surgió durante una plática amena que Townes sostuvo con los alumnos. Realmente nunca dejó de pensar en cómo conseguir una emisión estimulada para la luz. En 1958, junto con Arthur Schawlow, publicó en un artículo donde explicaba sus ideas sobre cómo sustituir las microondas por las ondas de luz. Dicho artículo despertó mucho interés.
El primer láser eficiente fue construido en 1960. Lo consiguió Thedore Harol Maiman, un físico que trabajaba en los laboratorios que costeó sus estudios en la Universidad de Colorado, haciendo reparaciones eléctricas. Se doctoró en la Universidad de Stanford. Maiman utilizó un cilindro de rubí sintético como cámara de resonancia, un medio ideal para el flujo de las ondas de luz.
El cilindro se encontraba de pulimiento en los extremos, a manera de espejos, así la luz podía rebotar hacia el centro del cilindro. Como centros de amplificación (átomos que se exciten y se relajen soltando y absorbiendo electrones) al rubidio se le añadieron impurezas de óxido de cromo. Una bombilla alargada se enrollaba alrededor del cilindro del rubí, al encender la bombilla esta lanzaba ondas de luz en todas direcciones, estimulando el óxido de cromo, produciendo una emisión inducida.
Con las primeras ondas de luz consiguió la emisión inducida, y logró una reacción en cadena donde dos fotones salen del primer átomo, estos dos golpean otros tantos átomos excitados generando cuatro y así sucesivamente. Cada uno de estos fotones rebotan en los espejos dentro del cilindro de rubí, hasta que consiguen suficiente fuerza para escapar de la cavidad óptica de rubí a través de un espejo.
Aplicando el principio de tres niveles de energía de Bioembergen, se consiguió el láser de flujo continuo.
Y antes de terminar el año de 1960, Ali Javan consiguió el primer láser que utilizaba gas, con un mezcla de helio y neón.
Láser: Inicia nueva tecnología
La palabra láser viene de la unión de las primeras letras de su definición en inglés: Light Ampplification by stimulated emission of radiation.
¿Qué propiedad tiene el láser que lo vuelve tan prácticos? Primero es la elevada concentración de la luz, todas las ondas luminosas se encuentran aglomeradas en un flujo muy angosto, lo que le da la capacidad de concentrar mucha energía en un solo punto. La segunda es que todas las ondas surgen de un proceso de emisión y absorción atómica, por lo tanto tienen la misma frecuencia que se requiere para estimular las orbitas. La última es el paralelismo, toda las ondas de luz son tan paralelas que les per mite una gran concentración, necesita que el láser recorra cientos de años luz para que se note una cierta abertura del haz del rayo.
La aplicación del rayo láser fue interesante como fenómeno científico, pero lo que resulta sorprendente es su rápida aplicación en todos los campos de la tecnología, sirviendo en muchos casos de punta de lanza en la llegada de la nueva tecnología. Tenemos el ejemplo de la fibra óptica, los discos compactos, los hologramas que han nacido gracias a la existencia del rayo láser.
Laser Biológicos
En un articulo reciente de NaturePhotonics, de Gather y Yun, se anuncia el desarrollo de laser usando material vivo. En este caso colocan celulas de riñon humano, en un medio de cultivo. estas celulas ya han sido tratadas geneticamente y fabrican proteinas de medusa floresenta. Las proteínas se conocen como Proteínas verdes floresentes. Estas son puestas en un deposito con dos espejos en los extremos y se estimulan de forma externa para que produscan luz de la misma intencidad de onda y los espejos se encargan de apmplificarla, hasta que sale del dispositivo en forma de luz lacer. Aunque actualmente tiene muy poca potencia.
Nada impresionó tanto al imaginario colectivo como la aparición del rayo láser. El fenómeno de la luz láser fue predicho con mucha anticipación por la ciencia ficción, siendo llamado al principio el rayo de la muerte en La Guerra de Los Mundos en 1898. Pero la amplia variedad de aplicaciones que se tiene hoy, en todos los campos, es sorprendente, y rebasa con creces su posibilidad como arma.
Dentro de la compleja teoría que permitió el desarrollo del Laser, se encuentra una gran paradoja de la ciencia física de nuestro tiempo.
Antes de Einstein se pensaba que la luz eran sólo ondas electromagnéticas, pero muchos de los fenómenos de la luz no podían explicarse con el concepto de onda electromagnética. Cuando Plank descubrió los paquetes de energía que él llamó Cuantos, naciendo así la Mecánica Cuántica.
Einstein, en su serie de artículos de 1915, relacionando el fenómeno de los gases con los detalles inexplicables de la luz, Pensó que la luz estaba compuesto por paquetes de energía, que él llamó fotones, esto permitió explicar lo resultados que no encajaban con el concepto de ondas de luz, pero las ondas electromagnéticas siguieron explicando la mayoría de dichos fenómenos. Esto originó la dualidad de la luz, cuando a alguien la conviene que la luz puede estar formada con fotones, la toma así, y cuando no, puede ser ondas electromagnéticas. Pero estamos conscientes que esta dualidad debe cambiar, pero no hemos encontrado una solución más adecuada. Este fenómeno se ha podido aplicar a casi todas las formas de electromagnetismo.
La historia del surgimiento del Laser es breve, reciente y refleja la tendencia de los descubrimientos científicos que pronto seguirían. Por ejemplo, en la aparición del láser se encuentran involucrados una gran cantidad de científicos, que trabajando individualmente, fueron acumulando una a una las piezas de un rompecabezas que sólo dos científicos pudieron armar.
El primero fue Charles Hard Towes. Una mañana en la primavera de 1951 se despertó, a las cinco y media de la mañana, en un pequeño hotel de Washington D.C. Salió del cuarto y caminó hasta la plaza Franklin esperando aclarar le problema que esperaba resolver.
Hard Townes se encontraba precediendo una reunión de físicos e ingenieros que el Ejército de los Estradoa Unidos había organizado, con el propósito de encontrar la forma de generar ondas muy cortas y de una frecuencia tan alta que ninguna válvula de radar (Termiónica o bulbo) podría producir.
Townes nació en Greenville (California del Sur) el 28 de Julio de 1915. Obtuvo la licenciatura en la Universidad de Duke, doctorándose en el Instituto Tecnológico de California (CalTech) en 1939. Durante la Segunda Guerra Mundial trabajando en los Laboratorios Bell, con grandes especialistas del “Estado sólido”, ocupándose de radares y microondas.
Esa mañana fría de 1951 Townes reflexionaba sobre el escrito de Albert Einstein de 1917. En dicho artículo Einstein, remarcaba la gran amplificación que podría obtenerse en una emisión estimulada de radiaciones.
Repentinamente Townes captó la idea que pudo servir para fundamentar lo que nueve años después se volvería el “Microwever amplification by stimulated emission of radiation”. Por sus siglas en ingles MASER.
Se apresuró a escribir unas fórmulas en su libreta, enseguida las guardó en su abrigo y regresó al hotel. Ni ese día ni durante el resto de la reunión, Townes habló sobre el asunto.
Como sabemos el átomo se compone de un núcleo compacto en el centro y a su alrededor una vasta área (en comparación al tamaño del núcleo) donde circulan los electrones. Cada electrón tiene un nivel o ruta determinada al girar alrededor del núcleo, en un átomo relajado, o estado normal.
Cuando el átomo se éxito, generalmente al recibir y absorber una onda de luz (o fotón), este se carga de energía. Para que el átomo pueda almacenar dicha energía los electrones se aleja un poco más el núcleo, salta a la órbita inmediata superior, quedando por unos momentos inestable.
El estado de excitación es breve, sólo fracciones de segundo, el electrón regresa a su estado relajado después que el átomo emita una foto (u onda de luz) de una frecuencia y características específicas para ese elemento o molécula. Todo objeto que desprenda luz, desde el sol hasta el foco incandescente se basa en este fenómeno.
El fenómeno se conoce como “emisión”, era conocido desde principio del siglo XX. Después de la absorción del fotón por el átomo, la emisión puede ser natural o inducida. La natural se produce. La emisión inducida ocurre cuando un átomo excitado (que absorbió un fotón) recibe otro fotón. Al no poder con la carga energética desprende los dos fotones y regresa al estado relajado, pero estas dos nuevas ondas de luz salen con una misma frecuencia y longitud de onda, sumando sus fuerzas al estimularse una a otra.
El fenomeno de absorción, estado excitado y emisión´.Lo que Townes visualizó esa mañana no fue realmente este fenómeno sino una cámara de resonancia. Han visto una guitarra, pues la caja que compone la mayor parte del cuerpo del instrumento es una simple caja de resonancia, su función es atrapar las ondas de sonido y, chocando unas con otras, adquieran fuerza y se pueden escuchar por el público. La diferencia es que dentro de la cámara, con cierto tamaña crítico, las ondas de luz puedan rebotar acumulando fuerza para después hacerlas salir de la cámara como un compacto rayo de luz, donde todas las ondas tuvieran la misma dirección, frecuencia y lomngitud.
Del maser al Láser
El láser se define como oscilaciones ópticas integradas por un centro amplificador y por una cavidad de resonancia. Antes de 1951 ya existían antecedentes para el Láser. Por una parte, Einstein mencionó en 1917 que la emisión estimulada podría servir como amplificaciones de radiación, hecho que se demostró experimentalmente de 1925. La cavidad óptica por el físico francés Febry y Pérot desde finales del siglo pasado.
Cuando Charles Hard tuvo la idea de unir estos dos conceptos para fabricar un aparato amplificador. Pero cuando comentó la idea a sus compañeros de la Universidad de Columbia, en Nueva York, ellos la tomaron con indiferencia.
Townes no se desanimó, decidió probar gases con el fin de encontrar uno que sirviera como amplificador de microondas. Después de tres años encontró que el amonio (NH³) se prestaba a la perfección para esto. Dicho gas tiene sus tres hidrógenos en los extremos formando un triángulo; el nitrógeno, por su parte, puede alterar su posición con respecto al plano triangular invirtiéndose, volviendo enseguida a su posición original. Este fenómeno se conoce como vibración y ocurre 24 mil millones de veces por segundo. Townes imaginó que sí estas moléculas podían desprender una radiación esta sería proporcional a sus vibraciones, o sea de 2 milímetros y medio de longitud, quedando dentro del rango de las microondas.
La “emisión estimulada” ocurre cuando una molécula alterada recibe un fotón más, el átomo o molécula no puede con toda la carga energética y desprende dos fotones u ondas electromagnéticas, con la misma dirección, longitud de onda y frecuencia, tan características del elemento del cual se originan que puede ser identificado por la luz que emite.
Townes introdujo el amoniaco en una cavidad y al conseguir la emisión inducida logró que las ondas electromagnéticas generadas quedaran atrapadas en la cavidad de resonancia, rebotando de un lado al otro acumulando fuerza y aumentando su número. Al abrir la cavidad salía un rayo de microondas muy concentrado y de una pureza inigualable.
El Maser ( Amplificación de microondas por emisión estimulada) se convirtió en realidad en 1954, demostrando su gran utilidad de inmediato. Pero existía un problema, el Maser era intermitente, necesitaba tiempo para recargarse y generar otro rayo de microondas. Pero un americano que trabajaba en la Universidad de Harvar resolvió el problema. Usó un gas con tres niveles energéticos, esto es que el electrón pudiera subir tres orbitas y por lo tanto absorber dos fotones antes de la emisión espontanea. Así mientras uno de los niveles estaba emitiendo y otro se preparaba para absorber fotones, existía otro nivel cargado y listo para emitir.
Alexander Projorov y Nikolai Basov consiguieron resultados similares a los de Townes en Moscú. El Premio Nobel fue compartido por ellos tres en 1964.
El concepto del láser surgió durante una plática amena que Townes sostuvo con los alumnos. Realmente nunca dejó de pensar en cómo conseguir una emisión estimulada para la luz. En 1958, junto con Arthur Schawlow, publicó en un artículo donde explicaba sus ideas sobre cómo sustituir las microondas por las ondas de luz. Dicho artículo despertó mucho interés.
El primer láser eficiente fue construido en 1960. Lo consiguió Thedore Harol Maiman, un físico que trabajaba en los laboratorios que costeó sus estudios en la Universidad de Colorado, haciendo reparaciones eléctricas. Se doctoró en la Universidad de Stanford. Maiman utilizó un cilindro de rubí sintético como cámara de resonancia, un medio ideal para el flujo de las ondas de luz.
El cilindro se encontraba de pulimiento en los extremos, a manera de espejos, así la luz podía rebotar hacia el centro del cilindro. Como centros de amplificación (átomos que se exciten y se relajen soltando y absorbiendo electrones) al rubidio se le añadieron impurezas de óxido de cromo. Una bombilla alargada se enrollaba alrededor del cilindro del rubí, al encender la bombilla esta lanzaba ondas de luz en todas direcciones, estimulando el óxido de cromo, produciendo una emisión inducida.
Con las primeras ondas de luz consiguió la emisión inducida, y logró una reacción en cadena donde dos fotones salen del primer átomo, estos dos golpean otros tantos átomos excitados generando cuatro y así sucesivamente. Cada uno de estos fotones rebotan en los espejos dentro del cilindro de rubí, hasta que consiguen suficiente fuerza para escapar de la cavidad óptica de rubí a través de un espejo.
Aplicando el principio de tres niveles de energía de Bioembergen, se consiguió el láser de flujo continuo.
Y antes de terminar el año de 1960, Ali Javan consiguió el primer láser que utilizaba gas, con un mezcla de helio y neón.
Láser: Inicia nueva tecnología
La palabra láser viene de la unión de las primeras letras de su definición en inglés: Light Ampplification by stimulated emission of radiation.
¿Qué propiedad tiene el láser que lo vuelve tan prácticos? Primero es la elevada concentración de la luz, todas las ondas luminosas se encuentran aglomeradas en un flujo muy angosto, lo que le da la capacidad de concentrar mucha energía en un solo punto. La segunda es que todas las ondas surgen de un proceso de emisión y absorción atómica, por lo tanto tienen la misma frecuencia que se requiere para estimular las orbitas. La última es el paralelismo, toda las ondas de luz son tan paralelas que les per mite una gran concentración, necesita que el láser recorra cientos de años luz para que se note una cierta abertura del haz del rayo.
La aplicación del rayo láser fue interesante como fenómeno científico, pero lo que resulta sorprendente es su rápida aplicación en todos los campos de la tecnología, sirviendo en muchos casos de punta de lanza en la llegada de la nueva tecnología. Tenemos el ejemplo de la fibra óptica, los discos compactos, los hologramas que han nacido gracias a la existencia del rayo láser.
Laser Biológicos
En un articulo reciente de NaturePhotonics, de Gather y Yun, se anuncia el desarrollo de laser usando material vivo. En este caso colocan celulas de riñon humano, en un medio de cultivo. estas celulas ya han sido tratadas geneticamente y fabrican proteinas de medusa floresenta. Las proteínas se conocen como Proteínas verdes floresentes. Estas son puestas en un deposito con dos espejos en los extremos y se estimulan de forma externa para que produscan luz de la misma intencidad de onda y los espejos se encargan de apmplificarla, hasta que sale del dispositivo en forma de luz lacer. Aunque actualmente tiene muy poca potencia.
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