El láser: como funciona y una interesante novedad

Un hecho que (lamentablemente) pasó inadvertido por este blog el año pasado (mi culpa… lo reconozco) es que se celebró en todo el mundo el 50 aniversario de la invención del laser (Amplificacion de Luz por Emision de Radiacion eStimulada). Hoy en día, prácticamente no nos damos cuenta de las muchísimas aplicaciones que el laser tiene en nuestro diario vivir. En su momento, el laser fue descrito como “una solución en busca de problemas“. Desde su invención, ya se sabia que este tipo de luz traería soluciones a muchisimas áreas que ellos mismos no eran capaces de dislumbrar. A modo de ejemplo, ellos nunca pensaron el impacto que iba a tener este aparatito en las miles de agradecidas mujeres que ya no tienen que sufrir con la (según ellas descrita) horroroza depilación. Ahora, existen a no muy elevado precio, los sistemas de depilación casi-definitiva usando un laser pulsado que destruye la melanina de los folículos (donde crecen los pelos) sin dañar la piel.  Esa aplicación estoy totalmente seguro que no fue pensada por los creadores del laser.

Para quienes quieren entender un poco como funciona un laser, intentaré explicarlo brevemente. El laser es un invento que nace a partir de los descubrimientos de la Física Cuántica. A comienzos del siglo 20, Einstein estableció la existencia de unos coeficientes de probabilidad para la emisión de radiación (fotones) debido a transiciones de los electrones en el interior de un átomo. En ese momento, Einstein fue suficientemente capaz de percatarse que existian tres casos posibles para las transiciones que involucraban radiación (luz); estas son absorción de un fotón, emisión de un fotón de forma espontánea y emisión de un fotón de forma estimulada. Es justamente esta última la base de la emisión de luz laser. Un laser produce que los electrones de los átomos de un medio suban a niveles superiores (en física, se dice “se excita el medio”) y luego, se “estimulan” para que decaigan a un cierto nivel de menor energía, emitiendo fotones (es decir, luz). La gracia es que como la energía de los átomos es discreta (cuantizada) sólo emite la luz en la frecuencia estimulada… y eso indica el color del laser.

texto alternativo

Longitudes de onda de distintos laser disponibles comercialmente; indicando el medio activo en cada caso (Fuente: Wikipedia)

A partir de la explicación anterior, puede entenderse que el color de la luz emitida depende de que esta compuesto el medio que es excitado. Es por esto, que tenemos laseres de distintos “colores” (aunque en realidad es mejor hablar de distintas “longitudes de onda”). El más conocido talvez es el Helio-Neon, usado en los típicos punteros rojos (633nm) aunque también puede emitir en verde (543nm) y varias otras más. Los otros conocidos son los verdes usados para enceguecer a los artistas en los escenarios, hechos de Neodimio (que en realidad, emiten en infrarrojo (~1um), pero con un pequeño artilugio se puede hacer que emita en verde (~530nm)). En fin… asi hay muchísimos medios (tanto en estados sólidos, líquidos, gaseosos o plasmas) que pueden actuar como laser para emitir en distintos colores.

Hace una par de semanas, salió publicado en la revista Nature Photonics un artículo que me llamó profundamente la atención y pensé que debía comentar; relacionado precisamente con laser. Esta publicación demuestra experimentalmente, la emisión de luz láser a partir de una CELULA VIVA usada como medio activo. No sólo eso, sino que la célula siguió viva incluso después de haber hecho que funcionara como laser por un largo tiempo. La célula en cuestión es un cultivo in vitro de una célula de la linea embriotica de riñón humano, combinadas transitoriamente con proteina fluorescente proveniente de una medusa (Aequorea victoria). Una de las tremendas ventajas que tiene este tipo de laser, es que el medio activo resulta ser producido biologicamente, siendo biocompatible y bioabsorvible; lo que resulta muy adecuado para emitir luz laser en materia viva sin dañarla al hacerlo.

Emision laser de la celula como medio activo

Personalmente, encuentro este trabajo como una real “joyita” de Física Aplicada; que puede (según lo indica el mismo paper) dar paso a una técnica totalmente nueva de imagenología o de terapias basadas en activación controlada de agentes fotoquímicos (es decir, agentes que reaccionen exclusivamente al ser expuestos a estas longitudes de onda). Una aplicación más para la lista de cosas que los inventores del láser jamás pensaron…  la frase “Una solución en busca de problemas” no podría haber resultado más certera y visionaria (y cada vez me gusta más)

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12 respuestas a El láser: como funciona y una interesante novedad

  1. Estimado Felipe,

    Olvidaste mencionar los láseres de XUV- Rayos X Blandos… que estan siendo usados como base para la caracterización de los nuevos circuitos integrados.

    Eso no más,
    Saludos
    Gzo

  2. newton_rocks dijo:

    Excelente, no puedo esperar para mostrarle a mis amigos mis riñones luminosos!

    Con respecto al comentario de Gonzalo, yo tengo entendido que el LASER sería “la forma” de estimular átomos, que es algo asi como “un tubo con espejos” que formarían algo como un efecto dominó para que los átomos se estimulen entre ellos y terminen todos en un solo “chorro” de ases de luz paralelos.

    A lo que voy es que una cosa es la radiación o otra cosa es el LASER.

    En ese caso los XUV, Rayos X o lo cualquier otra luz, correspondería a la radiación que emiten átomos especificos, no al LASER en si mismo.

    No sé si me expliqué bien.

    Por cierto, me acordé del hombre láser. El peor espectáculo del festival de viña jamás visto. (y eso es harto decir).


    Excelente artículo,

    Saludos!

    • Gracias por el comentario, en todo caso es claro que el “LASER” es el termino que describe la forma de emisión de luz.
      A lo que me referia con el comentario es que la imagen que tiene Felipe, además de los láseres que nombra, no contemplan los XUV-SXR, los cuales estan siendo desarrollados con mucho interés en estos momentos (viene un poco de cerca el comentario en todo caso) y por lo tanto son de mucha importancia en el desarrollo actual de la óptica y tecnología. Es sólo para complementar y explicar que existen otros tipos de láseres, no los que normalmente uno considera en el rango “Visible-IR”.

      Salu2
      Gzo

  3. @Gonzalo: Es cierto que no mencione tus laseres de XUV, pero no quise entrar en las infinitas aplicaciones… de hecho, quiero escribir una especie de “serie de posts” sobre aplicaciones de laser, pero el tiempo no me lo permite

    @newton_rocks Entiendo perfecto tu comentario. Se le denomina “radiación” porque lo que salen son fotones (independiente si los vemos o no) El aparato que hace la maravilla de la emisión estimulada por el efecto dominó (muy buena analogía) es el “tubo” que tu mencionas. Es cierto el comentario que decir “laser de rayos X” no es exactamente correcto, pero es la forma mas práctica de decir que salen rayos X con efecto laser (coherencia y monocromaticidad).

    Y por cierto… MUY malo el espectaculo del Sr. Laser (gracias por el video)
    .F

  4. Pensé que no entendería, pero esta muy bien explicado… Interesante!

  5. Gracias Cristhian por tu comentario y que bueno saber que entendiste! ;)
    Un abrazo y que estes muy bien,

  6. Carlos Rubilar dijo:

    Hola!

    Interesante página y más para mi, ya que mi formación en netamente biológica. Lo de los sabores de los neutrinos me gustó leerlo.
    Te tengo una pregunta que será escrita en jerga biológica. La proteína fluorescente verde (o GFP en ingles) es una macromolécula que posee la característica de fluorescer, o sea que a cierta longitud de onda es excitada, emitiendo luz de longitud de onda discreta y de menor energía que la anterior.

    ¿Esta emisión de luz por una proteína excitada es un laser? Creo que es lo que explicas al final, pero me gustaría corroborarlo. Entonces ¿el fenómeno de fluorescencia se puede decir que da como resultado un rayo láser?

    Esa es mi duda.
    Exito en su labor. Excelente página.
    Chau!

  7. Hola Carlos,

    Excelente tu pregunta y me alegro mucho que te guste nuestro blog. Como te habrás dado cuenta, nuestra formación es netamente en física, pero intentaré responder de la mejor manera tu pregunta “en jerga biológica”

    El fenómeno de fluorescencia es similar al laser, con la diferencia que el medio excitado son moléculas o estructuras (como las proteinas) y no átomos particulares como el laser. Es por esto que la fluorescencia tiene un amplio espectro de emisión (es decir, tienen hartas longitudes de onda o “colores” mezclados) debido básicamente a los múltiples componentes de las estructuras y las interacciones internas (como de enlaces, calor, etc) a diferencia del espectro de emisión laser que es bastante acotado espectralmente. Particularmente, la GFP fluoresce en un espectro de longitudes de onda con un ancho de aprox 50nm con máximos en 505nm y 540nm (por eso el color verde… puedes ver la curva de absorción y emisión de la GFP en la Figura 2 de la explicación del Premio Nobel de Quimica del 2008 sobre el tema en este link http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2008/chemadv08.pdf )

    En cambio, la emisión que se logró al hacer en el trabajo que comento del Nature Photonics, logran emisión extremadamente acotada en longitud de onda (según se puede ver en la figura que puse en el post) y además, demuestran que la emisión de dicha célula concuerda con los modos de emisión electromagnética (TEM modes) típicas para un medio laser con simetría elíptica (como lo es una célula). Esa última característica no la expliqué en el blog, pero hasta donde tengo entendido (puedo equivocarme eso si), que esos modos no se cumplen para la emisión fluorescente (es decir, seria otra diferencia entre fluorescencia y laser)

    Espero haber respondido a tu duda, y no haber sido demasiado específico en la respuesta.
    Ojala sigas visitandonos y comentando!!
    Saludos,
    .F

  8. Carlos dijo:

    Hola Felipe

    Se que no llegaré a entender completamente el fenomeno laser, pero tu explicación es muy buena, me quedo bastante clara algunas de la diferencias. Corrígeme si es necesario: entonces fluorescencia y laser comparten el mismo principio de excitación y posterior emisión. Releyendo tu comentario, recién me doy cuenta de lo fenomenal de esta aplicación. Me sorprendió que las células que expresan GFP queden vivas después de estimularlas. Tengo que leer ese paper.

    Gracias por responder mi inquietud.
    Me despido y estaré atento a la página por más noticias.
    Éxito.

    Carlos

    • Gracias Carlos por tus comentarios! (asi da gusto escribir cosas!)

      En general, para que exista emisión de luz, debe haber algún tipo de excitación que provoque dicha emisión de luz de parte de algún medio (simplemente, por conservación de energía)

      Si quieres el paper, lamentablemente hay que pagarlo a Nature. Sin embargo, yo ya lo tengo en pdf (gracias a la suscripcion de la universidad); asi que te lo puedo enviar a algún correo si quieres (no lo puedo poner en una pagina web porque es ilegal hacerlo)

      Suerte,
      .F

  9. Pingback: Científicos observan partícula que se mueve a la velocidad de la luz « Conexión causal

  10. Judy dijo:

    djafan / I was blessed to have attended the beautiful concert and witness Da7#2&i8d1v;s magnificent performance. It took me two days to drive there but it was so worth it. Won’t be able to attend the signings but will be at some MKOC shows!

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