La fotónica se ha convertido en objeto de deseo. Telecomunicaciones, dispositivos de última generación energética, sensores ópticos, cristales, fibra óptica, tecnología aeroespacial, recubrimientos o nuevos materiales, son algunas de sus aplicaciones.
En la década de los años 60 del siglo XX se empezó a popularizar la fotónica referida de forma amplia al estudio de las ondas de luz. Concretamente, el descubrimiento del láser, y posteriormente del láser de diodo, fue el punto de partida de este campo de conocimiento. Finalmente, en los años 80 con la llegada de la fibra óptica se asentó como una disciplina en sí misma.
El término fotónica es una analogía lingüística respecto a la electrónica, pero en el caso de la fotónica lo que se controla son los fotones, las unidades cuánticas de la luz. No obstante, la similitud en el lenguaje también abarca interrelaciones físicas pues los electrones modulan el flujo de fotones y viceversa.
Modular la luz ha resultado en un ejercicio muy productivo, tanto, que es imposible hacer un repaso riguroso de todas sus aplicaciones en un solo artículo, por lo que este será el primero de una serie de artículos dedicados a la fotónica.
En el principio se hizo el láser
La palabra LÁSER es un acrónimo del inglés de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, es decir, Amplificación de la Luz por Emisión Estimulada de la Radiación. Veamos entonces a qué se refiere con la emisión estimulada (o inducida) de la radiación. Este fenómeno físico fue estudiado y predicho por A. Einstein a principios del S. XX y desembocó en un descubrimiento sorprendente.
Cuando la materia se estudia a tamaño molecular, atómico o subatómico, los procesos físicos en los que está involucrada se explican mediante la Mecánica Cuántica. Sin entrar en detalle y grosso modo, la Mecánica Cuántica considera que los procesos energéticos ocurren en paquetes discretos o cuantos de energía, mientras que en la Mecánica Clásica la energía es un continuo.
Supongamos una escalera y una rampa; si subimos una escalera sólo podemos apoyar el pie en cada uno de los escalones y estamos obligados a subir a tramos con unas distancias concretas (discretas), sin embargo, en una rampa podemos subir rodando un patinete o con pasos cortos o largos, sin restricciones, sin limitaciones del espacio. Esta analogía, aunque es muy burda (que me perdonen mis colegas), escenifica muy bien como se entiende la energía para la Mecánica Cuántica y la Mecánica Clásica, respectivamente.
La emisión estimulada es un proceso mecano-cuántico en el que una partícula (electrón, átomo, etc.) en un estado energético excitado, al recibir una radiación electromagnética externa, o fotón incidente con una frecuencia (ν) concreta, estimula que esa partícula que está en un estado excitado caiga a un estado energético inferior, sin absorber al primer fotón, y emita otro fotón adicional. Pero la clave no es que emita un fotón por caer a un estado energético menor, que eso ya lo hace de forma espontánea en lo que se conoce como emisión espontánea, sino que al salir emitido este nuevo fotón estimulado lo hace con la misma frecuencia, misma fase y el mismo vector direccional que el fotón primero que ha estimulado todo el proceso. Es decir, obtenemos una radiación coherente, con una probabilidad muy elevada de que los fotones emitidos sean todos gemelos idénticos.
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Esquema del proceso de emisión estimulada; h, constante de Planck; ν, frecuencia de radiación; E1, estado fundamental; E2, estado excitado. Imagen extraída de aquí.
Cuando se consigue obtener una población de partículas que esté en estado excitado esperando a ser estimulada con fotones con la frecuencia apropiada, conseguimos una amplificación óptica. Aunque los láseres constan de más elementos, como una cavidad óptica resonante y un acoplador entre otros, los fundamentos físicos que rigen el proceso son los que se han descrito.
Láseres en Defensa
Desde finales de los años 50 la investigación militar se ha interesado mucho por el uso de nuevas armas relacionadas con la radiación electromagnética (luz). Los avances más notables se han conseguido en diseñar dispositivos láser de muy pequeño tamaño y alta eficiencia que se empezaron a usar en combate por la misma época.
Desde entonces los láseres se han convertido en una parte fundamental del equipamiento militar. Otra cosa son los láseres tácticos, o láseres de alta energía, cuya aplicación está orientada a la destrucción del enemigo. En 1973 el Ejército de Estados Unidos creó el MIRACL (Mid-Infrared Advanced Chemical Laser) con el fin de abatir objetivos aéreos en vuelo. Más tarde, se han ido haciendo otro tipo de láseres químicos o del estado sólido que optimizaron el primer láser táctico.
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Imágenes extraídas de la página de TALOS.
Las armas electromagnéticas abarcan un abanico de aplicaciones militares que incluyen, por ejemplo, el uso de microondas para calentar la piel del enemigo a distancia creándole una incapacidad sin causarle un daño irreparable, hasta el uso de armas más sofisticadas que pueden destruir un misil en vuelo.
El proyecto TALOS (Tactical Advanced Laser Optical System) de la Agencia Europea para la Defensa (EDA, European Defence Agency) pretende crear tecnología de armas de energía dirigidas por láser, aplicables a medios terrestres, aéreos y navales.
Todavía no está todo dicho respecto al uso de los láseres en Defensa, y queda un largo camino por recorrer donde la tecnología militar puede llegar a sustituir las armas convencionales por un avanzado sistema de láseres potentes y compactos. (Dra. Mercedes Iriarte Cela, Copal Scientific)
Referencias:
Quanta, Matter, and Change. A molecular approach to physical chemistry. Peter Atkins, Julio de Paula, and Ronald Friedman. W. H. Freeman and Company. New York. 2009.
Amsalu, K., Palani, S. A review on photonics and its applications. Materials Today: Proceedings, 33 (2020) 3372-3377.
Tactical Advanced Laser Optical System. European Union. https://www.talospadr.eu/index.php?p=thumbs Visto última vez en septiembre 2023.
Military and Aerospace Electronics. https://www.militaryaerospace.com/power/article/14072339/emp-high-power-electromagnetic-weapons-railguns-microwaves Visto última vez en septiembre 2023.
