Carrera hacia la luz

Antes de empezar a trabajar en el máser había empezado a germinar algunas ideas sobre la posibilidad de un láser. Mi concepto hasta ahora era intentar utilizar un material sólido para el medio emisor de láser, y fabricar el material potencial del láser en forma de varilla. En el ámbito de las microondas, esta configuración se denomina guía de ondas dieléctrica. En óptica se conoce como tubo de luz. Planeaba poner espejos en cada extremo de la varilla para formar un resonador.

A pesar de los avances en física que representa, el máser no amplía en absoluto el espectro electromagnético coherente. Además, su uso como amplificador resultó ser poco práctico porque se requerían temperaturas criogénicas para su correcto funcionamiento. Hubo una fuerte motivación para llevar las fronteras de la radiación electromagnética coherente a frecuencias más altas, principalmente la promesa de energías más altas y mayores concentraciones. La reducción de la longitud de onda del microondas al visible es un factor de aproximadamente 104. Esto llevaría a una consecuente reducción de 104 veces en el tamaño focal mínimo alcanzable, y a un aumento de 108 veces en la concentración de energía entregada por el láser.

El trabajo en el proyecto del máser, por lo tanto, demostró ser una especie de distracción, y no fue hasta agosto de 1959 que pude dedicar todo mi esfuerzo a la consideración y análisis de mis conceptos para un láser.

¿Por qué iba a estar dispuesto a entrar en una carrera así? Ya existía una competencia mundial bastante formidable, bien financiada y con personal muy competente. La respuesta está en mi conocimiento de las propuestas que se habían presentado. Por lo general, los científicos que perseguían estas nociones no eran especialmente reservados en lo que estaban trabajando. Publicaban y daban charlas en conferencias. Sin embargo, en general, me pareció que los autores y conferenciantes sólo ofrecían propuestas vagas. Sin duda, esto servía de intercambio de información y estimulaba las ideas. Pero no me pareció que nadie estuviera cerca de la respuesta. En resumen, todavía no existía ningún concepto de láser viable.

Al mirar atrás, fui un poco descarado. Me estaba lanzando, en cierto modo, a una olimpiada tecnológica. La competencia era de la mejor calidad y de alcance internacional. Pero mi espíritu competitivo se impuso. El reto de trabajar en la liga superior de un proyecto tan apasionante, que tenía tantas preguntas y problemas que resolver, me resultaba muy convincente.

Ahora sabemos que se pueden fabricar muchos tipos de láser. Pero entonces, en 1959, no lo sabíamos. Ni siquiera sabíamos con seguridad si era realmente posible fabricar un láser. Mi estrategia fue limitarme a las posibles soluciones para la fabricación de un láser que no tuvieran distracciones apreciables en el diseño. De este modo, podía centrarme estrictamente en el problema del láser en sí.

Por diversas razones, me resistía a trabajar con sistemas de descarga de vapores alcalinos o de gas. Opté por trabajar con cristales de estado sólido. El principal atractivo que tenían los sólidos para mí era la simplicidad. Con esto me refiero a la sencillez en el análisis y la comprensión, y a la sencillez en la concepción de los dispositivos.

En contraste con una descarga de gas, el diagrama de niveles de energía en un cristal apropiado es muy limitado. Hay relativamente pocas posibilidades para los estados de energía y, en general, los parámetros pertinentes para un posible candidato a láser son susceptibles de una combinación de cálculos y mediciones directas relativamente sencillas.

Otra ventaja, en principio, de un cristal sólido es su coeficiente de ganancia relativamente alto. Con esto quiero decir que la amplificación en una longitud dada de material es de proporciones razonables. Esto significa que el medio láser podría ser relativamente pequeño en tamaño y corto en extensión, y no tendría el problema de desarrollar o depender del uso de espejos especiales. De hecho, mi primer láser utilizó un cristal de sólo 2 cm de longitud.

También me intrigaba el concepto de un medio sólido, ya que no tendría que lidiar con bombas de vacío, problemas de impurezas y aparatos de manipulación de gases, ni con complejos mecanismos de espejos. Podría poner simples revestimientos de espejo de plata directamente sobre el cristal, como había hecho con mi pequeño máser de rubí. En principio, un láser de cristal sólido podría diseñarse para ser muy sencillo, compacto y resistente.

Mi primera elección para estudiar y contemplar fue la de un cristal de rubí. El rubí es el resultado cuando una colada transparente de óxido de aluminio es dopada con una pequeña cantidad de impureza de óxido de cromo. El cromo es el responsable del color rojo. Los rubíes que se utilizan para los dispositivos no suelen ser piedras preciosas naturales, que tienen un nivel de impurezas de cromo de aproximadamente el 0,5%. La concentración de cromo en los rubíes de los dispositivos es unas diez veces menor que esto, y por eso muestran un color rojo más claro que el rubí de las piedras preciosas y se denominan rubí rosa.

¿Por qué elegir el rubí como posible candidato al láser? Lo más importante es que conocía y me fascinaban las interesantes propiedades ópticas del cristal. El rubí es un mineral fluorescente; si se hace brillar la luz ultravioleta sobre un rubí, brillará con una fluorescencia roja intensa. Además, el rubí también emite un resplandor rojo cuando se le ilumina con luz azul o verde. Estas bandas de absorción azul y verde son las que dan al rubí su color rojo. Cuando un fotón verde incide en el rubí y es absorbido por él, un ion de impureza de cromo pasa de su estado básico a una banda amplia de excitación. Aunque el ion de cromo tiene la posibilidad de irradiar por emisión espontánea desde ese nivel excitado, entra en juego otro proceso. El proceso competidor utiliza las vibraciones térmicas de la red cristalina para interactuar con el ion excitado y depositar la mayor parte de la energía de excitación en otro nivel excitado ligeramente inferior del cromo del rubí, donde permanece durante un tiempo. Este último proceso es mucho más probable y dominante.

La energía de este tercer nivel se irradia como emisión incoherente espontánea. Esta emisión espontánea está formada por fotones rojos y es la fluorescencia observada. El nivel en el que emana la fluorescencia se denomina a veces nivel metaestable, ya que los iones de cromo permanecen en ese estado energético durante un tiempo comparativamente largo antes de irradiar fotones rojos.

Desarrollé un modelo que pudiera analizarse matemáticamente y establecí ecuaciones cinéticas para tener en cuenta los distintos mecanismos que tienen lugar en el proceso de fluorescencia. También establecí criterios sencillos e intuitivos para establecer la condición de la acción del láser. Este modelo y estas ecuaciones se han convertido posteriormente en una forma estándar para que otros analicen los láseres de cristal.

Pude determinar qué parámetros del material eran importantes y relevantes para un láser obteniendo la solución de las ecuaciones que describen el modelo. Utilizando valores conocidos y estimados para los parámetros pertinentes en el rubí, descubrí que el rubí requeriría una lámpara de bombeo muy brillante para excitar el cristal lo suficiente como para permitir la acción del láser. La luminosidad de una lámpara es un parámetro importante para los láseres. No es una medida de la potencia total radiada por la lámpara, sino de la potencia por unidad de superficie.