Historia del láser 1880 - 2000
Hoy en día, la importancia del láser puede fascinarnos, ya que estamos rodeados de cosas que son un subproducto de su aplicación. La historia del láser nos fascina igualmente por cómo ha progresado la tecnología año tras año a lo largo de un siglo.
La palabra láser es en realidad un acrónimo; LASER significa “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (“Amplificación de luz por emisión estimulada de radiación”).
Un láser es un dispositivo que produce un haz de luz inusualmente potente que no existe por sí solo en la naturaleza. Hoy en día esta luz se utiliza para realizar miles de tareas útiles. Un láser puede emitir un rayo de luz que atraviesa una gruesa pared de metal o perfora un agujero en un diamante. Algunos láseres pueden medir cosas que sólo se ven con un microscopio o incluso realizar operaciones oculares delicadas. Todos los días, los láseres se utilizan en comunicaciones, fábricas, hospitales y diversos medios de entretenimiento. De hecho, los láseres mejoran y facilitan nuestras vidas de tantas maneras que los científicos han llegado a referirse a estos dispositivos como las superherramientas de la era moderna.
La invención del láser fue el resultado de muchas ideas y descubrimientos, cada uno de los cuales se basó en los anteriores, que se remontan a más de cien años. Los científicos no se propusieron inventar el láser deliberadamente; de hecho, nadie consideró seriamente un dispositivo de este tipo hasta unos pocos años antes de que se construyera el primer láser. La mayoría de las ideas que llevaron a su invención fueron el resultado de intentos de los científicos por aprender más sobre la luz y cómo se comporta. A medida que pasó el tiempo, la idea de que la luz podría hacerse más potente o amplificada se volvió más importante para los científicos. Sólo cuando unos pocos investigadores lograron reunir todas estas ideas acumuladas de una manera muy especial se les ocurrió que se podía construir algo parecido a un láser.
1880: El primer intento importante de conseguir que la luz realizara una tarea que realizan los láseres en la actualidad. El destacado inventor estadounidense Alexander Graham Bell realizó un experimento que demostró cómo se podía utilizar la luz para llevar la voz de una persona de un lugar a otro. Para lograr esto, Bell usó un dispositivo al que llamó fotófono, que consistía en un espejo delgado, un receptor que podía detectar luz, algunos cables y un auricular. Bell colocó el espejo de modo que la luz del sol se reflejara en su superficie y viajó más de cien pies hasta el receptor. Cuando una persona hablaba cerca del delicado espejo, éste vibraba levemente. Esto provocó que la luz del sol que se reflejaba en el receptor también vibrara. Luego, el receptor transformó las vibraciones de la luz en una señal eléctrica, que viajó a través de los cables hasta el auricular. Bell había demostrado que algún día la luz podría usarse en las comunicaciones. Esta idea preparó el camino para el siguiente paso hacia el descubrimiento del láser.
1905: el científico alemán Albert Einstein anunció su propia teoría sobre la luz, que se compone tanto de partículas como de ondas. Einstein afirmó que las partículas, llamadas fotones (de la palabra griega que significa "luz"), se mueven siguiendo patrones ondulatorios.
1917: Einstein sugirió que, mientras un átomo está excitado, se lo puede estimular (inducir) a producir un fotón. Si se pudieran excitar y estimular suficientes átomos, se podría producir una gran cantidad de fotones. Un haz de luz compuesto por tantos fotones estaría muy concentrado y, por lo tanto, sería más brillante y más potente. Einstein llamó a este proceso "emisión estimulada de luz". Como puede producir luz con mayor potencia o amplificada, la emisión estimulada es el principio básico del funcionamiento del láser.
Los científicos tenían la información básica que necesitaban para construir un dispositivo similar al láser ya en 1917, pero nadie lo intentó. Los investigadores pensaron que sería demasiado difícil y costoso; y tenían razón. La maquinaria avanzada que necesitaban no existía en ese momento y tendría que desarrollarse pieza por pieza. La investigación necesaria llevaría muchos años y costaría mucho dinero. Por supuesto, ese tiempo y ese dinero valdrían la pena si la idea prometía ser lo suficientemente útil. Pero la gran mayoría de los científicos de la época no creían que la idea de amplificar la luz pudiera llevar a algo práctico o útil. Por este motivo, el desarrollo del láser se produjo de una manera más indirecta: mediante experimentos con radar y microondas.
1928: El físico alemán Rudolf Walther Ladenburg observó por primera vez la emisión estimulada, aunque en ese momento parecía no tener ninguna utilidad práctica.
1939-1945: Durante la Segunda Guerra Mundial los científicos trabajaron arduamente para mejorar el radar, un dispositivo de seguimiento que se había inventado unos años antes. El radar envía un haz de microondas que rebota en los objetos cercanos. Las microondas son similares a la luz visible, ya que ambas viajan a 186.000 millas por segundo y están compuestas de partículas que se mueven.Los experimentos con radar condujeron a avances técnicos que finalmente produjeron el láser en ondas. Pero a diferencia de la luz, que las personas pueden ver, las microondas son invisibles para el ojo. Después de que un haz de radar rebota en un objeto, las microondas reflejadas regresan y se registran en una pantalla.
1950: equipo de C. H. Townes creara el primer dispositivo funcional que, en la práctica, utilizaba las teorías de Einstein: la tecnología en cuestión se llamó M. A. S. E. R., acrónimo de “Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation”.
1954: En colaboración con Herbert J. Zeiger y el estudiante de posgrado James P. Gordon, Townes demuestra el primer máser en la Universidad de Columbia. El máser de amoníaco, el primer dispositivo basado en las predicciones de Einstein, obtiene la primera amplificación y generación de ondas electromagnéticas mediante emisión estimulada. El máser irradia a una longitud de onda de poco más de 1 cm y genera aproximadamente 10 nW de potencia.
1955: Aleksandr Mikhaylovich Prokhorov y Nikolay Gennadiyevich Basov, del Instituto de Física P.N. Lebedev de Moscú, intentaron diseñar y construir osciladores y describieron de forma independiente la teoría del funcionamiento del máser. Proponen un método para producir una absorción negativa, denominado método de bombeo.
1956: Nicolaas Bloembergen, de la Universidad de Harvard, desarrolla el máser de estado sólido de microondas.
14 de septiembre de 1957: Townes esboza un máser óptico primitivo en su cuaderno de laboratorio.
13 de noviembre de 1957: Gordon Gould, estudiante de posgrado de la Universidad de Columbia, anota sus ideas para construir un láser en su cuaderno y las hace certificar en una tienda de golosinas del Bronx. Se considera el primer uso del acrónimo láser. Gould deja la universidad unos meses después para incorporarse a la empresa de investigación privada TRG (Technical Research Group).
1958: Townes, consultor de Bell Labs, y su cuñado, el investigador de Bell Labs Arthur L. Schawlow, en un artículo conjunto publicado en Physical Review Letters, demuestran que los máseres podrían funcionar en las regiones óptica e infrarroja y proponen cómo se podría lograr. En el Instituto Lebedev, Basov y Prokhorov también están explorando las posibilidades de aplicar los principios de los máseres en la región óptica.
Abril de 1959: Gould y TRG solicitan patentes relacionadas con el láser derivadas de las ideas de Gould.
22 de marzo de 1960: Townes y Schawlow, bajo la dirección de Bell Labs, obtienen la patente estadounidense número 2.929.922 para el máser óptico, ahora llamado láser. Cuando se les deniega la solicitud, Gould y TRG inician lo que se convertiría en una disputa de patentes de 30 años relacionada con la invención del láser.
7 de julio de 1960: Hughes ofrece una conferencia de prensa para anunciar el logro de Maiman.
Noviembre de 1960: Peter P. Sorokin y Mirek J. Stevenson del Centro de Investigación Thomas J. Watson de IBM demuestran el láser de uranio, un dispositivo de estado sólido de cuatro etapas.
Diciembre de 1960: Ali Javan, William Bennett Jr. y Donald Herriott de los Laboratorios Bell desarrollan el láser de helio-neón (HeNe), el primero en generar un haz de luz continuo a 1,15 μm.
1961: Los láseres comienzan a aparecer en el mercado comercial a través de empresas como Trion Instruments Inc., Perkin-Elmer y Spectra-Physics.
Marzo de 1961: En la segunda reunión internacional de electrónica cuántica, Robert W. Hellwarth, de Hughes Research Labs, presenta un trabajo teórico que sugiere que se podría lograr una mejora espectacular en el láser de rubí haciendo que su pulso sea más predecible y controlable. Predice que se podría crear un único pico de gran potencia si la reflectividad de los espejos finales del láser cambiara repentinamente de un valor demasiado bajo para permitir la emisión láser a un valor que sí lo permitiera.
Octubre de 1961: Elias Snitzer, de American Optical Co., informa sobre la primera operación de un láser de vidrio de neodimio (Nd:vidrio).
1962: Con Fred J. McClung, Hellwarth demuestra su teoría del láser, generando potencias de pico 100 veces superiores a las de los láseres de rubí ordinarios mediante el uso de obturadores de celdas Kerr conmutados eléctricamente. La técnica de formación de pulsos gigantes se denomina Q-switching. Entre las primeras aplicaciones importantes se encuentra la soldadura de resortes para relojes.
1962: Grupos de GE, IBM y el Laboratorio Lincoln del MIT desarrollan simultáneamente un láser de arseniuro de galio, un dispositivo semiconductor que convierte la energía eléctrica directamente en luz infrarroja pero que debe enfriarse criogénicamente, incluso para el funcionamiento pulsado.
Junio de 1962: Bell Labs informa sobre el primer láser de granate de itrio y aluminio (YAG).
Octubre de 1962: Nick Holonyak Jr., un científico consultor de un laboratorio de General Electric Co. en Syracuse, Nueva York, publica su trabajo sobre el diodo láser GaAsP (fosfuro de arseniuro de galio) “rojo visible”, una fuente compacta y eficiente de luz coherente visible que es la base de los LED rojos actuales que se utilizan en productos de consumo como CD, reproductores de DVD y teléfonos celulares.
1963: Logan E. Hargrove, Richard L. Fork y M.A. Pollack informan sobre la primera demostración de un láser bloqueado por modo; es decir, un láser de helio-neón con un modulador acústico-óptico. El bloqueo de modo es fundamental para la comunicación láser y es la base de los láseres de femtosegundos.
1963: Herbert Kroemer, de la Universidad de California en Santa Bárbara, y el equipo de Rudolf Kazarinov y Zhores Alferov, del Instituto Físico-Técnico A.F. Ioffe en San Petersburgo, Rusia, proponen de forma independiente ideas para construir láseres semiconductores a partir de dispositivos de heteroestructura. El trabajo conduce a que Kroemer y Alferov ganen el Premio Nobel de Física en 2000.
Marzo de 1964: después de dos años de trabajo en láseres de HeNe y xenón, William B. Bridges, de Hughes Research Labs, descubre el láser de iones de argón pulsado, que, aunque voluminoso e ineficiente, podía producir energía en varias longitudes de onda visibles y ultravioleta.
1964: El Premio Nobel de Física se dividió entre tres galardonados: la mitad fue otorgada a Charles Hard Townes y la otra mitad a Nicolay Gennadiyevich Basov y Aleksandr Mikhailovich Prokhorov “por sus trabajos fundamentales en el campo de la electrónica cuántica”. Lo que llevó a la construcción de osciladores y amplificadores basados en el principio máser-láser”.
1964: Kumar Patel inventa el láser de dióxido de carbono en los Laboratorios Bell. Es el láser de funcionamiento continuo más potente de su época y ahora se utiliza en todo el mundo como herramienta de corte en cirugía y en la industria.
1964: Joseph E. Geusic y Richard G. Smith inventan el láser Nd:YAG (YAG dopado con neodimio) en los Laboratorios Bell. Más tarde, el láser resulta ideal para aplicaciones cosméticas, como la corrección de la visión mediante queratomileusis in situ asistida por láser (LASIK) y el rejuvenecimiento de la piel.
1965: Jerome V.V. Kasper y George C. Pimentel demuestran el primer láser químico, un instrumento de cloruro de hidrógeno de 3,7 μm, en la Universidad de California, Berkeley.
1966: Charles K. Kao, en colaboración con George Hockham en Standard Telecommunication Laboratories en Harlow, Reino Unido, hace un descubrimiento que supone un gran avance en la fibra óptica. Calcula cómo transmitir luz a grandes distancias mediante fibras ópticas de vidrio y llega a la conclusión de que, con una fibra de vidrio de máxima pureza, sería posible transmitir señales de luz a una distancia de 100 km, en comparación con los 20 m de las fibras disponibles en la década de 1960. Kao recibe el Premio Nobel de Física en 2009 por su trabajo.
1966: El físico francés Alfred Kastler gana el Premio Nobel de Física por su método de estimulación de átomos a estados de energía más altos, que desarrolló entre 1949 y 1951. La técnica, conocida como bombeo óptico, fue un paso importante hacia la creación del máser y el láser.
Marzo de 1967: Bernard Soffer y Bill McFarland inventan el láser de colorante sintonizable en Korad Corp. en Santa Mónica, California.
1970: Gould recompra sus derechos de patente por $1 más el 10 por ciento de las ganancias futuras cuando se venda TRG.
Primavera de 1970: el grupo de Alferov en el Instituto Físico-Técnico Ioffe y Mort Panish e Izuo Hayashi en los Laboratorios Bell producen los primeros láseres semiconductores de onda continua a temperatura ambiente, allanando el camino hacia la comercialización de las comunicaciones por fibra óptica.
1972: Charles H. Henry inventa el láser de pozo cuántico, que requiere mucha menos corriente para alcanzar el umbral láser que los láseres de diodo convencionales y que es extremadamente más eficiente. Holonyak y los estudiantes de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign demuestran por primera vez el láser de pozo cuántico en 1977.
26 de junio de 1974: Un paquete de chicles Wrigley's es el primer producto leído por un escáner de código de barras en una tienda de comestibles.
1975: Los ingenieros de Laser Diode Labs Inc. en Metuchen, Nueva Jersey, desarrollan el primer láser semiconductor de onda continua comercial que funciona a temperatura ambiente. El funcionamiento de onda continua permite la transmisión de conversaciones telefónicas.
1975: Jan P. Van der Ziel, R. Dingle, Robert C. Miller, William Wiegmann y W.A. Nordland Jr. realizan el primer funcionamiento de láser de pozo cuántico. Los láseres se desarrollan en 1994.
1976: Se demuestra por primera vez un láser semiconductor en Bell Labs, que funciona de forma continua a temperatura ambiente, a una longitud de onda superior a 1 μm. Es el precursor de las fuentes para sistemas de ondas de luz de longitud de onda larga.
1976: John M.J. Madey y su grupo en la Universidad de Stanford en California demuestran el primer láser de electrones libres (FEL). En lugar de un medio de ganancia, los FEL utilizan un haz de electrones que se aceleran hasta una velocidad cercana a la de la luz y luego pasan a través de un campo magnético transversal periódico para producir radiación coherente. Debido a que el medio láser consiste únicamente en electrones en el vacío, los FEL no tienen los problemas de daño material o lentes térmicas que afectan a los láseres comunes y pueden alcanzar potencias de pico muy altas.
1977: Se completa la primera instalación comercial de un sistema de comunicaciones por ondas de luz de fibra óptica de Bell Labs bajo las calles de Chicago.
11 de octubre de 1977: Gould obtiene una patente para el bombeo óptico, que luego se utilizó en aproximadamente el 80% de los láseres.
1978: El LaserDisc llega al mercado del video doméstico, con poco impacto. Los primeros reproductores utilizan tubos láser HeNe para leer los medios, mientras que los reproductores posteriores utilizan diodos láser IR.
1978: Tras el fracaso de su tecnología de videodisco, Philips anuncia el proyecto del disco compacto (CD).
1979: Gould recibe una patente que cubre una amplia gama de aplicaciones láser.
1981: Schawlow y Bloembergen reciben el Premio Nobel de Física por sus contribuciones al desarrollo de la espectroscopia láser.
1982: Peter F. Moulton, del Laboratorio Lincoln del MIT, desarrolla el láser de titanio y zafiro, utilizado para generar pulsos cortos en el rango de picosegundos y femtosegundos. El láser de titanio y zafiro reemplaza al láser de colorante para aplicaciones láser sintonizables y ultrarrápidas.
Octubre de 1982: Se lanza el CD de audio, una derivación de la tecnología de video LaserDisc. Los fanáticos de Billy Joel se alegran, ya que su álbum de 1978 "52nd Street" es el primero en ser lanzado en CD.
1985: Steven Chu (secretario de Energía de EE. UU., 2009-13) y sus colegas de Bell Labs utilizan luz láser para ralentizar y manipular átomos. Su técnica de enfriamiento láser, también llamada “melaza óptica”, se utiliza para investigar el comportamiento de los átomos, lo que proporciona una perspectiva de la mecánica cuántica. Chu, Claude N. Cohen-Tannoudji y William D. Phillips ganan un Premio Nobel por este trabajo en 1997.
1987: David Payne de la Universidad de Southampton en el Reino Unido y su equipo presentan amplificadores de fibra dopada con erbio. Estos nuevos amplificadores ópticos amplifican las señales de luz sin tener que convertirlas primero en señales eléctricas y luego de nuevo en luz, lo que reduce el costo de los sistemas de fibra óptica de larga distancia.
1994: Jérôme Faist, Federico Capasso, Deborah L. Sivco, Carlo Sirtori, Albert L. Hutchinson y Alfred Y. Cho inventan en los Laboratorios Bell el primer láser semiconductor que puede emitir luz simultáneamente en múltiples longitudes de onda muy separadas (el láser de cascada cuántica). El láser es único porque toda su estructura se fabrica capa por capa mediante la técnica de crecimiento de cristales denominada epitaxia de haz molecular. Con solo cambiar el grosor de las capas semiconductoras se puede cambiar la longitud de onda del láser. Con su funcionamiento a temperatura ambiente y sus rangos de potencia y ajuste, el láser de cascada cuántica es ideal para la detección remota de gases en la atmósfera.
1994: Nikolai N. Ledentsov, del Instituto Físico-Técnico A.F. Ioffe, informa sobre la primera demostración de un láser de puntos cuánticos con alta densidad de umbral.
Noviembre de 1996: Wolfgang Ketterle muestra en el MIT el primer láser atómico pulsado, que utiliza materia en lugar de luz.
Enero de 1997: Shuji Nakamura, Steven P. DenBaars y James S. Speck, de la Universidad de California en Santa Bárbara, anuncian el desarrollo de un láser de nitruro de galio (GaN) que emite una luz azul violeta brillante en funcionamiento pulsado.
Los láseres se han convertido en herramientas estándar en diversas aplicaciones. Los punteros láser resaltan los puntos de presentación en las salas de conferencias y los indicadores de objetivos láser guían las bombas inteligentes hacia sus objetivos. Los láseres sueldan hojas de afeitar, escriben patrones en objetos en las líneas de producción sin tocarlos, eliminan el vello no deseado y blanquean los tatuajes. Los telémetros láser en las sondas espaciales perfilaron las superficies de Marte y el asteroide Eros con un detalle sin precedentes. En el laboratorio, los láseres han ayudado a los físicos a enfriar los átomos hasta una fracción minúscula de un grado del cero absoluto.