Introducción

LÁSER
INTRODUCCIÓN
Ahora se abordará el análisis de los elementos particulares que se requieren en un
sistema optoelectrónico empezando con el primer elemento de la cadena: la fuente de luz.
Como ya se indicó, la invención del láser es quizá el punto más importante en el desarrollo
de la optoelectrónica. Es dudoso que se hubieran presentado los otros eventos
significativos, como los avances logrados en las fibras ópticas, por ejemplo, sin el impulso
y la promesa de todas las posibilidades importantes que presentó el láser. Inevitablemente,
el tratamiento de las fuentes luminosas debe concentrarse en este extraordinario dispositivo.
Sin embargo, no deben olvidarse las fuentes térmicas tradicionales como fuentes de arco,
fuentes incandescentes y descargas gaseosas o inclusive el sencillo diodo emisor de luz, que
tienen una función importante, aunque más modesta. Estas fuentes serán mencionadas
cuando se considere apropiado.
Orígenes de la luz
Para comprender el láser y otras fuentes luminosas es necesario apreciar el carácter
único de la luz emitida por gases y sólidos. Cuando todos los cuerpos radiantes se observan
a simple vista parece que presentan un color característico. La luz solar es blanca, un trozo
de fierro caliente puede ser de color rojo-anaranjado y la luz de un poste de alumbrado
publico es amarilla. Sin embargo, si la luz de tales fuentes se hace pasar a través de un
prisma, entonces se dispersa en una serie de colores (componentes) denominado espectro.
La luz solar aparece como una banda continua de colores que varia del rojo al violeta, el
trozo de fierro también presenta una banda que varia del rojo apagado al anaranjado y la
lampara de sodio exhibe una serie de líneas brillantes estrechas. El que la distribución
espectral sea continua o en líneas discretas depende de la naturaleza y temperatura de la
fuente.
Emisión espontánea de fotones
Los orígenes de la emisión espectral de la luz por un material pueden rastrearse hasta la
existencia de los niveles permitidos de energía dentro de la estructura del átomo en sí ya la
excitación y desexcitación sucesiva de electrones entre tales niveles. Con base en el modelo
cuántico del átomo, no se permite que los electrones formen un continuo de órbitas
alrededor del núcleo, sino que están confinados a un conjunto de órbitas discretas estables
mediante un equilibrio entre dos fuerzas opuestas. La fuerza de atracción electrostática,
denominada fuerza electrostática de Coulomb, atrae el electrón negativo hacia el núcleo
positivo, mientras que la fuerza debida a la aceleración de la masa del electrón actúa
radialmente hacia fuera del núcleo. Los electrones enlazados no pueden asumir ningún
valor de energía, sino que sólo poseen energías discretas específicas según las órbitas
permitidas. Se dice que la energía está cuantizada y los valores permitidos de energía se
denominan niveles de energía. Mientras más alejado del núcleo se encuentre el electrón, el
enlace será menos fuerte.
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Para el caso más sencillo de un átomo de hidrógeno, que sólo tiene un electrón, en el
diagrama de nivel de energía de la figura 1 se muestra el intervalo de energía que puede
poseer el electrón. Cuando el electrón está en su nivel de energía más bajo posible, se dice
que el átomo se encuentra en su estado fundamental (o base). Un átomo solo puede llevarse
a un estado excitado si el electrón absorbe una cantidad de energía exactamente igual a la
diferencia entre los niveles inferior y superior. Por ejemplo para elevar el átomo de
hidrogeno de un estado inferior Wi a un estado excitado Ws Se requiere que la energía
absorbida, ∆W sea igual a Ws - Wi. Esta energía puede suministrarse por ejemplo, como
luz, calor o energía de colisión. Lo importante es que debe ser la cantidad necesaria. Por lo
general, la excitación del átomo eleva los electrones de órbitas externas, los denominados
electrones de valencia, hacia niveles superiores.
Figura 1.- Diagrama de energía del hidrogeno en la que se observan las principales
líneas espectrales.
Cuando se encuentra en un estado excitado, es posible seguir excitando al átomo, hacia
un estado aún superior o puede liberar parte, o toda su energía en exceso al regresar a un
estado inferior. En general, la vida de un átomo en un estado excitado es aproximadamente
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10 ns antes de que se relaje espontáneamente a un nivel inferior con la liberación de un
cuanto de energía igual a la diferencia entre su estado excitado inicial y su estado inferior
final. Aunque esta energía puede manifestarse de varias formas, lo que interesa son las
transiciones ópticas, que dan por resultado la emisión de un fotón de luz.
La energía del fotón emitido, Wfot, depende de la diferencia entre los dos niveles de
energía y esta dada por:
Wfot = Ws – Wi = ∆Wsi
puede recordarse que la energía del fotón también está dada por
Wfot = hfsi = hc/λsi
en donde fsi es la frecuencia del fotón emitido λsi es su longitud de onda.
Debido a que el electrón tiene acceso a varios posibles niveles de energía es que puede
existir un intervalo de transiciones ópticas, originando el espectro característico de tal
elemento. En la figura 1 se muestran algunas de las transiciones posibles para el hidrógeno.
Densidad de población
La situación que acaba de ser descrita se relaciona con la de un solo átomo aislado.
Ahora, considere la situación más real en la que grandes cantidades de átomos existen en
diferentes estados de excitación. En este caso, los electrones asociados con cada átomo
están distribuidos a través de todo el intervalo de niveles de energía disponibles para ellos.
En equilibrio térmico, la cantidad de átomos por unidad de volumen, la densidad de
población en un estado de energía específico depende exclusivamente de la temperatura del
gas y de la diferencia de energía entre el nivel excitado y un nivel inferior conocido.
Para un gas en equilibrio térmico cuyos alrededores se encuentran a una temperatura T, la
densidad de población de los átomos Ns en un estado excitado Ws en relación con los Ni en
un estado inferior de energía Wi está dada por la relación de Boltzmann como:
NS
 − ∆WSi 
W − Wi 
= exp
= exp  S


Ni
 kT 
 kT 
y se muestra esquemáticamente en la figura 2. La importancia de la relación anterior es que
a temperaturas normales la gran mayoría de los átomos se encontrarán en sus estados
fundamentales. Relativamente pocos de ellos estarán en estados de excitación superiores.
Aumentar la temperatura del sistema eleva más átomos hacia los niveles superiores de
excitación que posteriormente sé desexcitarán mediante la liberación espontánea de fotones
de regreso a los niveles inferiores. Existe una situación dinámica en la cual el porcentaje de
población de cualquier par de estados a una temperatura específica está regido por la
ecuación de Boltzmann a esa temperatura.
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Figura 2.- Distribución de población de Bolzmann.
Fuentes de luz térmicas
Los procesos que acaban de describirse constituyen la base de la emisión de luz a partir
de fuentes térmicas. Si un gas de baja presión como el hidrógeno se encierra en un tubo de
vidrio al vacío y se excita haciendo pasar una corriente eléctrica a través de él, los átomos y
moléculas constituyentes absorben energía continuamente debido a la colisión con
electrones y también entre sí. En cuanto los átomos ganan energía, inmediatamente la
pierden de nuevo debido a una combinación de emisión espontánea de fotones, calor y
desexcitación debida a las colisiones. En tal situación dinámica, las poblaciones del nivel
de energía están regidas por la relación de Boltzmann a la temperatura específica del gas.
Debido a que los átomos y las moléculas están lo suficientemente alejados entre sí, de
modo que la estructura de energía se asemeja a la de un átomo aislado, la emisión de
fotones cubrirá un amplio intervalo de longitudes de onda, pero será de naturaleza discreta.
Tales fuentes luminosas se denominan fuentes de descarga gaseosa y se utilizan bastante
como fuentes de referencia en espectroscopia. Los ejemplos comunes son las lámparas de
sodio empleadas para el alumbrado público, ya mencionadas, y la lámpara de vapor de
mercurio. En la figura 3 se muestra un espectro para la lámpara de vapor de mercurio.
Cuando los átomos están muy próximos entre sí, como en un gas denso el Sol o un
sólido como un trozo de fierro caliente, las estructuras de energía asociadas con los átomos
individuales se afectan mutuamente. Este es el comportamiento colectivo de muchos
átomos interactuantes de especies diferentes, en vez del comportamiento característico de
los átomos individuales de un elemento específico. Los niveles aislados deben correrse
ligeramente en energía y superponerse con respecto a los demás. A fin de dar cabida a
todos los electrones disponibles. En lugar de niveles de energía discretos individuales para
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el átomo aislado, se encuentra el desarrollo de bandas de niveles de energía bastante
próximas unas de otras. Entre ellas hay zonas prohibidas de energía, huecos de energía que
los átomos no pueden ocupar (figura 4).
Figura 3.- Espectro de una lampara de mercurio(arco)de 1000 W.
Figura 4.- Bandas de energía de un sólido.
Para un gas a una temperatura dada, los niveles de energía disponibles más bajos están
llenos de electrones: estas bandas se denominan bandas de valencia. Por encima de éstas se
encuentra un intervalo de bandas esencialmente vacías, denominadas bandas de
conducción.
La excitación eleva los átomos de las bandas de valencia densamente ocupadas hacia
las bandas de conducción relativamente vacías. La emisión de un fotón ocurre cuando un
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electrón en una banda de conducción se relaja a una banda de valencia con la liberación de
una cantidad correspondiente de energía. Debido a que la emisión I ocurre entre bandas de
energía, en lugar de entre los niveles bien definidos recientemente descritos, el espectro
característico es un continuo de banda ancha en el que son indistintas las transiciones
individuales, Aunque las poblaciones relativas de las bandas siguen siendo dependientes de
la temperatura, están regidas no por la distribución de Boltzmann, sino por la estadística de
Femi-Dirac.
La distribución espectral de energía radiada por tal fuente térmica está dada por la
radiación de cuerpo negro, que proporciona la energía radiante emitida por un cuerpo
caliente a una temperatura conocida. Esencialmente, mientras más caliente esté el cuerpo
más energía emitirá y menor será la longitud de onda de la emisión pico. Por tanto, a
medida que un trazo de fierro se calienta, comienza a brillar con un color apagado,
cambiando a rojo-naranja ya amarillo mientras más caliente esté. Tales materiales
constituyen la base de las fuentes por descarga de arco o lámparas incandescentes. En la
figura 5 se muestra un espectro típico.
Figura 5.- Espectro de una lampara de alógeno de tungsteno de 100 W
operando a 3200 oK.
Resumiendo, las fuentes luminosas térmicas producen radiación óptica como resultado
de un proceso dinámico de excitación y desexcitación espontánea de electrones de valencia.
Dado que la excitación ocurre a varios niveles de energía, la radiación está compuesta de un
amplio intervalo de longitudes de onda emitidas en instantes y direcciones aleatorios: se
dice que la luz es incoherente. Este comportamiento contrasta bastante con el de un láser,
en el cual la luz emitida es casi monocromática, en fase y unidireccional: se dice que esta
luz es coherente.
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