Las investigaciones que con el tiempo darían lugar al láser tuvieron su origen en una rama de la física actualmente conocida como mecánica cuántica. En 1900, Max Planck formuló la hipótesis de que los átomos excitados emitían energía en paquetes discretos, a los que denominó cuantos, y no como una emisión continua de energías, tal y como proponía la teoría de ondas de la radiación electromagnética entonces imperante. Planck nunca investigó las implicaciones de este concepto, lo que sí hizo Albert Einstein 5 años después al sugerir que la luz misma no estaba compuesta por ondas, sino por paquetes de energía (a los que después se denominó fotones); cuanto mayor es la frecuencia de la luz, mayor es el nivel energético del fotón. Einstein demostró cómo en determinadas condiciones los electrones podían absorber y emitir la energía de los fotones y, en una nueva investigación que le haría ganar el Premio Nobel, utilizó esta demostración para explicar lo que se denominó el efecto fotoeléctrico (la descarga de electrones de la materia por el impacto de la radiación, especialmente de la luz visible).

No todos estaban de acuerdo con la teoría de Einstein de la luz como partícula; la discusión continuaría un par de décadas. Pero incluso antes de que los físicos aceptaran que la luz era de algún modo tanto onda como partícula, Einstein ya había descubierto otro fenómeno. De acuerdo con el modelo de átomo de Niels Bohr, expuesto en una serie de documentos en 1913, los electrones ocupan órbitas específicas alrededor del núcleo que están determinadas por los niveles de energía de los electrones. Un electrón sólo puede absorber la cantidad exacta de energía que se necesita para transferirlo de una órbita a otra específica más alta y emite una cantidad específica de energía al pasar de una órbita a otra más baja. Esto explicó por qué los átomos de un gas determinado como, por ejemplo, el neón, emiten un patrón concreto de longitudes de onda y por qué las lámparas de descarga de vapor como las que se basan en mercurio o sodio tienen un color característico.

Los átomos que están en un estado excitado, es decir, aquellos cuyos electrones están en órbitas de mayor energía, volverán con el tiempo y de forma espontánea a su estado de mínima energía o fundamental, desprendiéndose de la energía almacenada en el proceso. En un sistema de átomos dado, esta emisión espontánea ocurre al azar y los fotones de energía se emiten en direcciones aleatorias. Einstein reconoció que si los átomos en estado excitado se encuentran con fotones de luz con la cantidad adecuada de energía (es decir, una cantidad igual a la diferencia entre los estados de mayor y menor energía), se puede originar una reacción de emisión en cadena que aumentaría la intensidad de la luz que está pasando, como si los electrones, deseosos de capturar los fotones entrantes, soltaran los que ya tienen almacenados. Además, todos los fotones se emitirían en la misma dirección que los fotones entrantes. Este proceso se denomina "emisión estimulada".

El único problema era que la amplificación por emisión estimulada sólo ocurriría si el número de átomos en estado excitado era mayor que el número de átomos en estado de mínima energía, lo que resultaba ser justamente lo opuesto a la situación normal; es decir, la emisión estimulada requería lo que se conoce como una inversión de población: provocar que una población completa de átomos entre en estado excitado, normalmente mediante su exposición a la luz.

Avancemos hasta el año 1951. Charles Townes era el director del laboratorio de radiación de la Universidad de Columbia, donde se continuaban las investigaciones iniciadas durante la Segunda Guerra Mundial acerca de la física de microondas. Townes, que estaba trabajando en la espectroscopia de microondas, estaba ansioso por utilizar longitudes de onda corta en el intervalo del submilímetro. Para ello, necesitaba reducir los osciladores mecánicos que se utilizaban entonces para generar microondas en el intervalo del centímetro, un problema que parecía insoluble hasta que se le ocurrió utilizar moléculas.

Durante los 2 años siguientes, Townes trabajó con James Gordon y Herbert Zeiger en la creación de dicho sistema. A finales de 1953, se dieron a conocer los resultados de sus investigaciones. Enviaban un haz de amoniaco a través de un campo eléctrico que desviaba las moléculas de menor energía y enviaba las moléculas de mayor energía a otro campo eléctrico; la exposición al segundo campo provocaba que todas las moléculas de amoniaco de mayor energía pasaran casi simultáneamente al estado fundamental, emitiendo fotones de microondas que tenían la misma frecuencia y circulaban en la misma dirección. Townes llamó a este dispositivo "máser" (siglas de "microwave amplification by stimulated emission of radiation"), que significa amplificación de microondas mediante emission estimulada de radiación. A medida que Townes seguía experimentando con estos dispositivos "máser", era cada vez más evidente que la emisión estimulada podía funcionar con longitudes de onda más cortas de infrarrojos y hasta de luz visible. Sedecidió acuñar el término "láser" para este dispositivo, siendo "l" la inicial de "luz". En su intento por desarrollar una teoría de la acción del láser más completa, Townes se puso en contacto con su cuñado, Arthur Schawlow, uno de los físicos de los Laboratorios Bell, uno de los principales centros norteamericanos de investigaciones de física y materiales.

Aprovechamiento de la potencia de la luz. Arthur Schawlow de los Laboratorios Bell (izquierda) y Charles Townes, de la Universidad de Columbia, publicaron "Infrared and Optical Masers" (Másers infrarrojos y ópticos) en 1958, un artículo que abrió el camino a los posteriores avances y estudios sobre la tecnología láser y sus aplicaciones. (Lucent Technologies).

A finales de 1958, el estudio de Townes-Schawlow, "Infrared and Optical Masers" (Másers infrarrojos y ópticos), fue publicado en Physical Review, una de las principales revistas de física. Este estudio incitó a una serie de científicos a intentar crear un dispositivo láser; en junio de 1960, el físico Theodore Maiman del laboratorio de investigaciones de Hughes Aircraft Company, lo logró mediante un rubí sintético.

Theodore Maiman con su láser de rubí en 1960. Los primeros láseres solían ser muy grandes y frágiles, y propensos a recalentarse. Los trabajos que se realizaron posteriormente acerca de semiconductores permitieron obtener diseños con un gran número de mejoras. (Hughes Research Laboratories, Inc.)

Los láseres, que emiten haces de luz con una mayor concentración que otras fuentes de luz, atrajeron inmediatamente el interés. En un experimento realizado en 1962, se dirigió un rayo láser de 1 pie (30,5 cm) de diámetro hacia la luna, a 240.000 millas (386.232 km) de distancia, el rayo sólo iluminó un área superficial de dos millas (3,2 km) de diámetro. Un rayo de luz normal se extendería en mayor medida al recorrer la misma distancia e iluminaría un area de 25.000 millas (40.232 km) de diámetro. Los periodistas recibieron esta nueva tecnología con gran entusiasmo y la describieron como una "luz fantástica" precursora de una nueva era. Los productores de cine presentaban a los láseres como armas de destrucción, especialmente en la película de James Bond "Goldfinger". Los científicos señalaron el gran potencial de los láseres en las comunicaciones y otros campos.

Sin embargo, a los primeros láseres todavía les faltaba mucho para satisfacer estas expectativas. Para llevar a cabo la inversión de población que permitía activar el láser se necesitaban bombas ópticas como, por ejemplo, lámparas de "flash", que sólo podían producir un impulso de energía en lugar de luz láser continua y no utilizaban eficazmente la corriente. En otra versión bastante diferente, desarrollada posteriormente en 1960 por Ali Javan, de los Laboratorios Bell, se utilizaba un tubo de cristal que contenía una mezcla de los gases helio y neón. Este láser tenía un umbral de energía más bajo y no se recalentaba, pero el tubo de cristal era demasiado grande y frágil. Los primeros láseres se parecían a los tubos de vacío que se habían utilizado anteriormente en radios, televisores y en los primeros ordenadores. En 1960, los tubos de vacío dejaron paso a los transistores, que se caracterizaban por sus reducidas dimensiones y su alta fiabilidad. ¿Podrían suponer los láseres una nueva transición?

The National Academies

|