Una revolució per a l’òptica

Cinquanta aniversari del làser

Làser de Maiman

Aquest any 2010 es compleixen cinquanta anys des que el 16 de maig de 1960 el físic nord-americà Theodore Maiman (1927-2007) va obtenir la primera emissió làser, precursora d’un dels més importants i versàtils instruments científics de tots els temps. Aquest any 2010 és, per tant, molt important no solament per als qui desenvolupem la nostra investigació en el camp de l’òptica (en el meu cas, en el de l’holografia), i per a altres investigadors d’altres àrees que també utilitzen làsers en el seu treball, sinó també per al públic en general, el qual pràcticament tots els dies utilitza dispositius proveïts de làsers.

Els reproductors de CD, DVD i Blu-ray, els punters làser, les impressores làser, els lectors de codis de barres utilitzats en molts comerços o els sistemes de comunicacions per fibra òptica que connecten la xarxa global d’Internet són només alguns exemples d’aplicació del làser en la nostra vida quotidiana. També el làser té importants aplicacions industrials, com el tall de peces, la soldadura de metalls, el guiatge de maquinària i robots en cadenes de fabricació o el mesurament precís de distàncies, i aplicacions biomèdiques en diversos tractaments quirúrgics, en l’eliminació de la miopia o en el tractament de certs tumors. El làser fins i tot s’utilitza als centres de bellesa que contínuament ens bombardegen amb anuncis sobre depilació làser. No obstant això, el làser és de gran importància, no només per les múltiples aplicacions científiques i comercials que té o per ser l’eina fonamental de diverses tecnologies punteres, sinó perquè va ser un factor crucial en el renaixement de l’òptica que va tenir lloc en la segona meitat del segle passat.

«Va ser un article publicat el 1958 per dos físics, Charles Townes i Arthur Schawlow, el que va posar les bases teòriques que van permetre a Theodore Maiman construir el primer làser l’any 1960»

Al voltant de l’any 1950 molts investigadors consideraven l’òptica com una disciplina científica amb un gran passat, però sense aspecte de tenir un gran futur (Kragh, 2007). En aquells anys eren els articles científics d’altres parts de la física, com la física nuclear i de partícules, la física de l’estat sòlid o l’electrònica després de la invenció del transistor, els que pràcticament copaven les revistes de física més prestigioses. No obstant això, el làser va canviar aquesta percepció de manera dràstica i va donar lloc a un desenvolupament nou i vigorós de l’òptica. Pot dir-se, sense risc a equivocar-se, que el làser va ser el revulsiu que va reactivar molts camps de l’òptica de manera explosiva, com l’holografia, i va donar lloc, a més, a uns altres de nous com l’optoelectrònica, l’òptica no lineal o les comunicacions òptiques.

La importància del làser en la nostra societat és evident. El mateix president dels EUA, Barack Obama, va enviar el passat mes de maig un missatge presidencial als responsables de LaserFest, iniciativa posada en marxa als EUA per celebrar el cinquanta aniversari del funcionament del primer làser de treball i educar el públic en general sobre els beneficis d’aquest dispositiu. El missatge assenyalava que el làser és «un dels invents més importants i versàtils del segle xx» i reconeixia que el «treball teòric intensament creatiu» que va conduir al desenvolupament del làser ha estat «seguit per una enginyeria innovadora i una espectacular diversitat gd’aplicacions que han proporcionat beneficis econòmics inimaginables inicialment». Obama va continuar dient que espera «amb vertadera emoció els nous avenços en aquest camp i les noves aplicacions segurament avui encara impensables». La Cambra de Representants dels EUA també s’ha referit a les celebracions del cinquanta aniversari del làser i a la importància que té aquest avenç en la societat i economia del país, en la seua resolució 1310 titulada Recognizing the 50th anniversary of the laser.

Theodore Maiman

Theodore Maiman, al costat de la vareta de robí voltada pel flaix en espiral. El president de l’empresa Hughes va contractar un fotògraf al qual li agradava capturar les persones darrere les seues invencions. Però el primer làser era massa petit, per la qual cosa el fotògraf va insistir en l’ús d’un flaix i una vareta de robí més grans que no els que havia utilitzat originàriament Maiman. / Hughes Research Laboratories

El naixement del làser

El làser és un dispositiu capaç de generar un feix de llum que posseeix una intensitat molt major que la llum emesa per qualsevol altre tipus de font lluminosa. A més, presenta la propietat de la coherència, de la qual, en general, manquen els feixos lluminosos ordinaris. La dispersió angular del feix del làser és molt més petita, per això observem l’emissió del raig làser com un fil rectilini de llum. La paraula làser és en realitat un acrònim format per les inicials de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation («amplificació de llum per emissió estimulada de radiació»).

Encara que el desenvolupament d’aquest dispositiu té els orígens en un treball d’Einstein de 1916 sobre emissió estimulada de radiació, va ser un article publicat el 1958 per dos físics, Charles Townes (1915-) i Arthur Schawlow (1921-1999), titulat «Infrared and Optical Masers» (Schawlow i Townes 1958), el que va posar les bases teòriques que van permetre a Maiman construir el primer làser l’any 1960. Ho va fer als laboratoris d’investigació Hughes, a Califòrnia, utilitzant com a medi actiu un cristall cilíndric de robí sintètic, òxid d’alumini amb petites impureses de crom, d’un centímetre de llarg, amb les bases lluents. Constituïa, per tant, el primer ressonador òptic actiu de la història.

Hughes Research Laboratories (HRL) va ser una companyia privada d’investigació fundada l’any 1948 pel magnat Howard Hughes, excèntric multimilionari, aviador, enginyer autodidacta, productor de Hollywood i empresari, a qui va donar vida en el cinema Leonardo DiCaprio en la pel·lícula de 2004 L’aviador, dirigida per Martin Scorsese. Els executius dels HRL van donar a Maiman nou mesos, 50.000 dòlars i un ajudant amb l’objectiu que aconseguira la primera emissió làser. Maiman va pensar a utilitzar per a excitar òpticament el medi actiu un llum d’un equip de projecció de cinema, però va ser el seu ajudant qui va tenir la idea d’il·lu­minar el cristall de robí amb un flaix fotogràfic que Maiman va enrotllar en espiral entorn del cristall cilíndric de robí. Amb aquest disseny tan simple Maiman va guanyar la partida a nombrosos equips d’investigació que estaven treballant en el «màser òptic» en els últims anys de la dècada de 1950 en universitats i sobretot en laboratoris d’investigació d’empreses privades.

Una vegada aconseguida la primera emissió làser, Maiman va enviar un breu article a la prestigiosa revista Physical Review, però es diu que els editors no el van acceptar adduint que la publicació havia anunciat que s’estaven rebent massa articles sobre el MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) –l’antecessor del làser en la regió de les microones– i havia decidit que en el futur tots els articles sobre aquest tema serien rebutjats, per no merèixer ser publicats amb urgència. Altres pensen, no obstant això, que l’editor va refusar l’article possiblement perquè aquest no complia amb la política de la publicació d’admetre únicament articles que «continguen contribucions significatives a la física de la naturalesa bàsica» (Kragh, 2007). Maiman llavors va remetre el seu article a la prestigiosa revista britànica Nature, realment encara més selectiva que Physical Review, on l’article sobre la primera emissió de la llum làser va eixir a la llum (mai més adequada aquesta expressió que en aquest cas) el 6 d’agost de 1960 amb el títol «Stimulated Optical Radiation in Ruby»(Maiman, 1960). Maiman era l’únic autor. Aquest article constava tot just de 300 paraules, raó per la qual és potser l’article especialitzat més breu mai publicat sobre un descobriment científic de tal magnitud. En un llibre publicat per celebrar el centenari de la revista Nature, Townes va qualificar l’article científic de Maiman com «el més important per paraula de tots els articles meravellosos» que la prestigiosa revista havia publicat en els seus cent anys d’història (Townes, 2003).

«La paraula làser és en realitat un acrònim format per les inicials de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (“amplificació de llum per emissió estimulada de radiació”)»

Amb l’acceptació oficial de l’article de Maiman en Nature, i abans que es publicara a l’agost, els laboratoris Hughes van fer pública la notícia del funcionament del primer làser en la seua empresa convocant els mitjans el 7 de juliol de 1960. Va ser el físic Gordon Gould (1920-2005), de la companyia privada Technical Research Group (TGR), qui va canviar la «M» de màser per la «L» de làser, i va ser qui es va adonar de la possibilitat de fabricar un ressonador òptic eficient, pel fet de disposar de dos espills en forma d’un interferòmetre Fabry-Pérot (Michinel, 2010), cosa que va anotar en el seu quadern de laboratori el 1957, a més de ser també el primer que va utilitzar el terme làser en la forma Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Justament, el terme làser per denominar aquest nou dispositiu és el que es va imposar davant la denominació «màser òptic» proposada per Townes (Schawlow i Townes, 1958). Gordon Gould va ser un investigador marginat inicialment per l’establishment científic de l’època (Michinel, 2010), però amb el temps va aconseguir el reconeixement com un dels pioners del làser. De fet, a la tardor de 1957 Gould ja havia esquematitzat com podria construir-se un làser.

Laser He-Ne

Làser He-Ne il·luminant un muntatge òptic format per dues lents hologràfiques al laboratori d’Òptica de la Universitat d’Alacant. La Universitat d’Alacant fou una de les universitats pioneres de l’estat espanyol en l’aplicació del làser a la investigació. / A. Beléndez, Filtro holográfico variable. Tesi de llicenciatura. Departament d’Òptica, Universitat de València, 1988

Va transcórrer molt poc de temps des que el làser va passar de ser una curiositat sense aplicacions a ser una font quasi inesgotable de desenvolupaments científics i tecnològics, ja que el primer làser comercial va arribar al mercat tot just un any després, el 1961, en què es van posar a la venda els primers làsers d’heli-neó (He-Ne), uns dels més coneguts i utilitzats des de llavors. Aquest tipus de làser fou desenvolupat als Bell Laboratories i es tracta d’un làser de gas que opera amb àtoms de neó excitat per col·lisions amb àtoms d’heli. Això va significar un gran avenç, ja que va donar lloc al primer làser d’emissió contínua. Tanmateix, els làsers més pro­duïts i versàtils de tots són els de semiconductors, dels quals es van produir 200 milions en l’any 1988 (Kragh, 2007). El primer làser d’aquest tipus data de 1962 i usava cristall d’arseniur de gal·li. En aquests primers anys entre 1960 i 1970 cap dels investigadors que van treballar en el desenvolupament del làser –la majoria pertanyents a laboratoris d’empreses privades com els ja esmentats de la Hughes, els d’IBM, General Electric o els laboratoris Bell– podria haver imaginat de quina manera els làsers transformarien en els cinquanta anys següents no solament la ciència i la tecnologia, sinó la nostra vida quotidiana. El làser és un excel·lent exemple de la manera com una teoria abstracta i aparentment llunyana de tot problema pràctic, la mecànica quàntica, acaba tenint una extraordinària importància en la nostra vida diària (Azcárraga, 2005).

«El làser és de gran importància no només per les múltiples aplicacions científiques i comercials que té, sinó porquè va ser un factor crucial en el renaixement de l’òptica que va tenir lloc en la segona meitat del segle passat»

Maiman, sorprenentment, no va ser guardonat amb el premi Nobel de Física per la seua feta, encara que hi va ser nominat en diverses ocasions. Sí que el van obtenir, no obstant això, Townes i altres investigadors el 1964 per les seues investigacions sobre el màster. Townes, en el seu discurs amb motiu de la recepció del premi Nobel, va fer múltiples referències al treball de Maiman, als làsers i a les seues aplicacions. Des que Townes va rebre el premi Nobel de física el 1964, més d’una dotzena d’aquests premis han estat relacionats amb el làser, com el de Gabor, de 1971, per la «invenció de l’holografia». Precisament aquest camp d’investigació, com ja he assenyalat amb anterioritat, va ser reactivat de manera explosiva gràcies a la invenció del làser i l’any 1964 els físics Leith i Upatnieks, de la Universitat de Michigan, presentaven públicament els primers hologrames realitzats amb làser (Beléndez, 2007).

El làser a casa nostra

No obstant això, els qui en la Universitat d’Alacant treballem en investigacions que tenen el làser com a instrument fonamental no només hem de celebrar amb satisfacció aquest cinquanta aniversari del làser, sinó que, a més, també hem de celebrar la relació que sempre ha existit entre el làser i aquesta universitat. El 1968, tan sols vuit anys després de l’anunci de la primera emissió làser aconseguida per Maiman a Califòrnia, i just l’any en què es va crear a Alacant el Col·legi Universitari, antecessor de la Universitat d’Alacant i dependent de la Universitat de València, es va muntar en la llavors denominada Divisió de Ciències un laboratori d’òptica que disposava d’alguns dels primers làsers He-Ne venuts a Espanya. En aquest laboratori, dirigit pel professor Justo Oliva, diverses persones que s’acabaven de llicenciar en Ciències Físiques procedents de la Universitat de València van començar a treballar, juntament amb la resta de components del laboratori, sota l’orientació del Departament d’Òptica de la Facultat de Ciències de la Universitat de València, en el que devien ser segurament les primeres investigacions sobre holografia d’Espanya.

Laser He-Ne

Fotografies d’hologrames de reflexió del Tresor de Villena realitzats per José Antonio Quintana, del Centre d’Holografia de la Universitat d’Alacant, el 1984. El primer holograma a Espanya l’havia realitzat el mateix professor Quintana el 1969, utilitzant els làsers He-Ne. / A. Beléndez / Col·lecció del Museu de la Universitat d’Alacant (MUA)

La Universitat d’Alacant és, per tant, una de les pioneres entre les universitats espanyoles en l’ús del làser en investigació i així, per exemple, el primer holograma del nostre país el va realitzar a Alacant el professor José Antonio Quintana el 1969 utilitzant aquests primers làsers He-Ne (Beléndez, 2007). El 1979 se celebrà a Madrid la primera exposició d’holografia d’Espanya, organitzada des del Laboratori d’Òptica de la Universitat d’Alacant i el Departament d’Òptica de la Universitat de València, i de llavors ençà són diverses les exposicions en què participa el Laboratori d’Òptica. A mitjan dècada dels vuitanta es van fer una sèrie d’hologrames de reflexió sobre el Tresor de Villena en la Universitat d’Alacant. A més, la primera tesi doctoral feta al Col·legi Universitari d’Alacant, com es denominava llavors, i defensada el 1976, també usava el làser com a instrument fonamental, com també les dues següents, defensades el 1977.

«La Universitat d’Alacant és una de les pioneres d’entre les universitats espanyoles en l’ús del làser en investigació»

Gràcies al Repositori Institucional de la Universitat d’Alacant avui podem tenir accés a aquestes tres tesis «iniciàtiques» en l’ús del làser a Alacant. Per tant, el làser no és solament un dispositiu científic fonamental que, a més, ha traspassat la frontera dels grans laboratoris d’investigació per a instal·lar-se de manera natural en la nostra vida quotidiana, sinó que aquest meravellós instrument científic ha estat lligat a la Universitat d’Alacant des dels seus començaments. Per aquest motiu, en recordar el cinquanta aniversari del làser en aquest article, no sols em referesc a la celebració de la primera emissió làser aconseguida per Maiman a Malibú, la qual cosa per descomptat és important en si mateixa i per totes les seues conseqüències, sinó que també celebrem les noces d’or d’un instrument científic utilitzat en la Universitat d’Alacant des que aquesta va començar a caminar.

Bibliografia
Azcárraga, J. A., 2005. Einstein. El seu segle i la seua ciència. Mètode. Universitat de València. València.
Beléndez, A., 2007. Holografia: ciència, art i tecnologia. Lliçó inaugural, curs 2007-2008. Universitat d’Alacant. Alacant.
Einstein, A., 1917. «Zur Quantentheorie der Strahlung». Physikalische Zeitschrift, 18: 121-128.
Hecht, J., 1992. Laser Pioneers. Academic Press. Boston.
Kragh, H., 2007. Generaciones cuánticas. Una Historia de la Física del siglo XX. Akal. Madrid.
Maiman, T. H., 1960. «Stimulated Optical Radiation in Ruby». Nature, 187 (4736): 493-494.
Michinel, H., 2010. «El láser: 50 años de luz». Revista Española de Física, 24 (1): 4.
Schawlow, A. L. i C. H. Townes, 1958. «Infrared and Optical Masers». Physical Review, 112: 1940-1949.
Townes, C. H., 2003. «The first laser». In: Garwin, L. i T. Lincoln (eds.), 2003. A Century of Nature: Twenty-One Discoveries that Changed Science and the World. University of Chicago Press. Chicago.

© Mètode 2011 - 67. Naturalesa humana - Número 67. Tardor 2010

Catedràtic de Física Aplicada i director de l’Institut Universitari de Física Aplicada a les Ciències i les Tecnologies. Universitat d’Alacant.

ARTICLES RELACIONATS