El rubí es una variedad del corindón (Al2O3) en la que una pequeña parte de los iones de Al3+ (0,05-2%) están reemplazados por iones de Cr3+, que son los responsables del color rojo de este mineral. Es muy conocido el rubí como piedra preciosa, pero se sabe menos de la importancia que ha tenido en la historia de la tecnología, ya que con él se obtuvo en 1960 el primer dispositivo productor del efecto láser, acrónimo inglés que significa en castellano amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. Sus principales componentes se muestran en la figura 5.10.
El rubí que se usó era sintético. Se obtuvo calentando una mezcla de Al2O3 y Cr2O3 en las proporciones adecuadas. La cristalización se hizo muy cuidadosamente para obtener un monocristal, es decir, una red cristalina continua, sin imperfecciones. El monocristal fue tallado de forma cilíndrica. Una de sus dos caras planas se plateó de manera que tuviera una altísima reflectividad y otra se plateó un poco menos. Esto supone que en una cara había un espejo y en la opuesta lo que se llama un semiespejo. Esta combinación constituye una cavidad óptica o resonador óptico. El objetivo es que algunos rayos luminosos permanezcan confinados en su interior y pasen varias veces por los iones de Cr3+. Estos iones son los responsables de la amplificación de la luz. La luz que se amplificó en aquel primer experimento fue la procedente de una lámpara de destellos de xenón en forma de espiral. (Las lámparas de destellos son aquellas que emiten flashes de luz como los de las cámaras fotográficas).
El láser de rubí es de los llamados de estado sólido de tres niveles debido a que el fenómeno se debe a transiciones electrónicas entre tres niveles de los átomos de cromo. El mecanismo de emisión estimulada y consiguiente amplificación se muestra en la figura 5.11.
Consta de seis etapas:
1. A temperatura ambiente, la mayoría de los iones Cr3+ (representados por círculos amarillos) está en su estado fundamental, con una energía E1. Ahora bien, una pequeña cantidad de iones se puede encontrar en niveles superiores (se ha dibujado un átomo en el nivel E2). La proporción de átomos en ambos estados viene dada por la distribución de Boltzmann y depende de la temperatura y de la diferencia de energía entre los estados.
2. Se puede conseguir que aumente la población de estados superiores mediante energía electromagnética. Concretamente, si se irradian los iones Cr3+ con fotones de la zona verde-azul del espectro (en torno a 550 nm) se conseguirá que un número determinado de iones Cr3+ situados en el nivel E1 pasen al nivel E3. Este nivel, en realidad, es un conjunto de niveles de energía muy próximos o banda (definida en el apartado 4.1). Se dice que se ha producido un bombeo. Por eso, al nivel 3 se le llama banda de bombeo.
3. Los iones Cr3+ excitados ceden muy rápidamente energía a la red cristalina, normalmente sin emitir fotones (es decir, mediante procesos no radiativos; por ejemplo, transfiriendo la energía en forma de calor a los movimientos vibratorios que experimenta continuamente el material que rodea a los iones, con lo que aumentará la amplitud de estos movimientos). Los iones Cr3+ que ceden su energía de este modo caen al nivel E2.
4. El nivel E2 es metaestable, lo que quiere decir que los iones pueden permanecer en él durante un tiempo indeterminado o caer al estado E1. Esta caída puede ser espontánea y es radiativa, o sea, se emiten los correspondientes fotones γ1, cuya energía será menor que la de los fotones que produjeron la excitación en el paso 2, ya que la separación energética entre E2 y E1 es menor que la separación entre E3 y E1. Por lo tanto, los fotones emitidos no serán verde-azulados, sino de otro color (concretamente, en el láser de rubí tienen una longitud de onda de 694,3 nm, por lo que son rojos). Además, las ondas asociadas a cada fotón tienen diferentes fases, es decir, unas ondas van más “adelantadas” que otras, como se esquematiza en la figura 5.12-izqda. Se dice que la radiación producida es incoherente.
Por otro lado, el tiempo de vida media (tiempo medio de permanencia de una especie en un estado) de E2 es mucho mayor que el del E3. Eso implica que se produce mucho más rápidamente una transición de E3 a E2 que de E2 a E1, por lo que la población de E3 tenderá a hacerse nula a costa del aumento de población del estado E2. Como E1 también tendrá en ese momento una población relativamente baja, se dice que se ha producido una inversión de la población entre los estados E2 y E1.
5. Uno fotón γ1 puede alcanzar a un ion Cr3+ que se encuentra en E2.
6. Esto puede inducir que el ion, al hallarse en un estado metaestable, caiga al estado E1, emitiéndose entonces un nuevo fotón de la misma energía, γ2. Es lo que se llama una emisión estimulada. Es decir, el proceso lo provoca un fotón pero se generan dos. Ambos tienen igual longitud de onda y están en fase. Dicho de otro modo, existe alta monocromaticidad y coherencia en la radiación, lo que se traduce en que se produzca una interferencia constructiva que se llama amplificación óptica. Algunos de los fotones generados podrán serán absorbidos por otros iones Cr3+ que se hallan en el estado fundamental y se perderán para el efecto láser, pero si el número de fotones que resultan de la amplificación es mayor que el número de fotones absorbidos (cosa que sucede cuando hay inversión de la población), dominará la emisión estimulada y se producirá la amplificación óptica en forma de “cascada” de fotones rojos. Consiguientemente, esto supondrá la rápida despoblación del nivel E2. La gran cantidad de fotones que se crean en el proceso de emisión estimulada se observa como un pulso de láser de muy corta duración.
La lámpara de xenón, lógicamente, es la que produce los fotones que van a excitar al Cr3+. Esta fuente produce destellos intensos pero poco duraderos de luz blanca incoherente. La corriente de fotones generada en cada destello llega a los iones Cr3+, que absorben solo los de determinada longitud de onda (en la zona del azul y el verde). Gracias a los espejos situados en los extremos del cristal de rubí, que hacen que los fotones reboten, la probabilidad de absorción de los fotones aumenta y asimismo la de producir emisión estimulada (amplificación). Uno de los espejos es semiespejo para que el láser pueda salir de la cavidad. Cada destello de la lámpara genera un pulso láser, pero otros sistemas producen láseres continuos.
El haz es coherente, es decir, todos los rayos están en fase, y apenas se dispersan espacialmente (un rayo láser emitido desde la Tierra puede llegar a la Luna con una dispersión de solo 1 m). Es prácticamente monocromático, ya que el intervalo de longitudes de onda de los fotones es sumamente estrecho. Se pueden conseguir haces láser muy intensos, lo suficientemente como para cortar metales y la mayoría de los materiales. También se aplican en comunicaciones de fibra óptica, sistemas de guía, dispositivos de medición, holografía, lectores de códigos de barras y de discos compactos, luces de espectáculos…, sin olvidar sus importantes usos médicos.
Actualmente, otras cerámicas han desplazado completamente al rubí como medio activo en la producción de láseres. Destacan el láser de Nd-YAG (granate de itrio y aluminio dopado con impurezas de neodimio); el de alejandrita sintética (BeAl2O4) dopada con Cr3+, que emite típicamente en el infrarrojo cercano y se emplea en algunos sistemas de depilación; el de zafiro dopado con titanio trivalente, que es un láser sintonizable (lo que quiere decir que se puede ajustar la longitud de onda del láser producido) desde el rojo hasta al infrarrojo cercano, con la característica adicional de que, según el diseño óptico de la cavidad, puede operar en modo continuo o emitiendo pulsos ultracortos; el de ortovanadato de itrio dopado con neodimio trivalente; el de YAG dopado con erbio u holmio trivalentes; etc. Pero también se usan cerámicas como soporte de dispositivos láser, por ejemplo para fabricar tubos por donde fluye argón en los láseres de este gas, ya que la cerámica es aislante eléctrico y elimina el exceso de calor[2].
Una categoría importante de láseres son los de diodo. Un diodo es un componente electrónico hecho normalmente de material semiconductor que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido, bloqueándola en sentido contrario. Los populares ledes son diodos de uso habitual (apartado 8.8). Los diodos láser son una fuente económica y manejable de esta radiación. La mayoría emiten en una sola longitud de onda (color), pero algunos se pueden sintonizar. Los materiales cerámicos semiconductores más empleados para fabricar estos láseres de diodo son el nitruro de indio y galio (InGaN), para lectura de discos; el arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs), empleado en impresoras láser; el fosfuro de aluminio, galio e indio (AlGaInP), con el que se hacen punteros láser rojos; o el arseniuro de indio y galio, InGaAs[3].
[1] Imagen adaptada de 5 Maiman Laser Components.jpg. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:5_Maiman_Laser_Components.jpg&oldid=712093574.
[2] Laser. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Laser.
[3] D. W. Richerson (op. cit.).
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
