Láseres de Rayos X. De curiosidad de Laboratorio a Instrumento Científico y Tecnológico

por para Ciencia Hoy el . Publicado en Número 33.

ecientes experimentos permiten suponer que pronto será posible contar con emisores de láser que se valgan de radiación electromagnética de longitud de onda muy inferior a la de la luz visible, con importantes ventajas para diversas ramas de la ciencia y la tecnología

Una nueva variedad de láser (¿o habría que llamarla xraser?) todavía en etapa de desarrollo. Los editores sugieren al lector no familiarizado con el tema que comience con el recuadro ¿Qué son y cómo funcionan los láseres?, y que se refiera a él para consultar la definición de los términos técnicos no aclarados en el texto principal.

Desde que se realizó la primera demostrasión práctica de su funcionamiento, en 1960, los láseres han ido ganando importancia, hasta ocupar hoy un lugar destacado en la vida cotidiana, debido a sus múltiples aplicaciones ya que constituyen el componente principal de muchos equipos de uso común. Tenidos en su origen por una curiosidad académica, hoy se utilizan rutinatiamente en muchos campos de la ciencia y la tecnología, en aplicaciones como el tratamiento de los desprendimientos de retina, la cirugia endoscópica, los lectores de códigos de barras usuales en los supermercados, las comunicaciones digitales por fibra óptica o los reproductores de discos compactos.

Este pasaje de curiosidad de laboratorio, como podia calificarse al primer láser de rubí de hace más de treinta años, a instrumento de extensa utilizacion para los más variados fines está relacionado con la simplicidad de operación del laser, que se logró tras muchos años de investigación y desarrollo. La rápida evolución de la tecnología ha permitido, por ejemplo, que ahora se pueda obtener, a muy bajo precio, un laser del tamaño de un lápiz, la mayor parte de cuyo volumen esta destinada a la batería que le suministra la energía necesaria para que funcione.

Una variedad de láser que se encuentra aún en etapa de desarrollo y que, por ahora, se utiliza sólo en algunos laboratorios de investigación, es el que amplifica radiación electromagnética de longitud de onda muy inferior a la de la luz visible, desde la ultravioleta lejana hasta los rayos X, es decir, radiación que se ubica en el rango de entre los 100nm y los 3nm (la luz visible tiene longitudes de onda que van de 400nm a 750nm).

El láser de rayos X comenzó a ensayarse a mediados de la década de los 80 y desde entonces ha evolucionado rápidamente. Los primeros estudios que demostraron la factibilidad de la amplificación de radiación en la mencionada zona del espectro electromagnético fueron publicados, casi simultáneamente y en forma independiente, por dos grupos de investigación de los EE.UU., uno del Lawrence Livermore Laboratory y otro de la universidad de Princeton. Desde entonces, numerosos equipos de científicos, trabajando en distintas regiones del mundo, se han abocado a su estudio.

El interés por desarrollar láseres en la región de los rayos X del espectro se debe a las ventajas que tienen para el uso de fotones en el estudio de procesos fundamentales de la biología, la medicina y de muchas otras ramas de la cienda y la tecnología. Una reducción sensible en la longitud de onda de la radiación láser -la correspondiente a los rayos X de mayar longitud de onda (y, por lo tanto, de menor energía), llamados rayos X blandos, es unas cien veces menor que la de la luz visiblepermitiría alcanzar un nivel de detalle aún no logrado con otras herramientas de estudio. Sin embargo, hasta hace poco, no se había conseguido que tales láseres fueran lo suficientemente sencillos como para ser de utilización general. Un experimento reciente abrió la posibilidad de que, en el futuro, cambie radicalmente el espectro de los usuarios de láseres de rayos X y estos se conviertan en herramienta de trabajo de muchos laboratorios.

Si bien por extensión se continúa llamando láseres a los sistemas que funcionan en la región de los rayos X, ellos son algo diferentes de los que operan en la negión del espectro visible. Como lo aclara el recuadro, un láser de luz visible está constituído por un medio amplificador de luz, por lo general de forma cilindrica o alargada, ubicado dentro de una cavidad resonante formada por dos o más espejos alineados a lo largo de un eje preferencial. La luz emitida por el medio se refleja en los espejos, que la dirigen nuevamente hacia el primero y producen un aumento de su intensidad con cada pasaje. La salida de luz de la cavidad resonante tiene lugar a través de uno de los espejos, que se construye de manera tal que deje pasar parte de la luz incidente (Fig. 1).

Fig 1 Esquema de funcionamiento de un laser de luz visible. La luz emitida por el medio amplificador se refleja en los espejos, que la dirigen nuevamente a aquel y producen, con cada nuevo pasaje, un aumento de su intensidad. La salida de la luz de la cavidad resonante tiene lugar por uno de los espejos, que es semitransparente a la luz que incide sobre él.

Fig 1. Esquema de funcionamiento de un laser de luz visible. La luz emitida por el medio amplificador se refleja en los espejos, que la dirigen nuevamente a aquel y producen, con cada nuevo pasaje, un aumento de su intensidad. La salida de la luz de la cavidad resonante tiene lugar por uno de los espejos, que es semitransparente a la luz que incide sobre él.

Dado a que aún no ha sido posible fabricar espejos con eficiencia suficiente como para poder reflejar rayos X, los láseres de estos carecen de cavidades resonantes y funcionan mediante el proceso llamado de amplificación de emisión espontánea (o ASE, acrónimo del inglés amplified spontaneous emission). Merced a ella, la emisión estimulada tiene lugar en un pequeño volumen del medio activo y es amplificada a lo largo de este a medida que los fotones se propagan siguiendo la dirección preferencial dada por su forma. Dicho medio, por lo general, es un cilindro alargado con un factor de aspecto (cociente entre largo y radio) grande. La colimación del haz, esto es, el proceso que determina que el haz de radiación esté formado por trayectorias aproximadamente paralelas entre sí y que se propague manteniendo su sección transversal aproximadamente constante, depende del factor de aspecto de la zona activa: cuanto mayor sea, es decir, cuanto más alargada sea esta, mayor será la colimación. La coherencia de la radiación del láser de rayos X varía con el equipo que la genera, pero habitualmente es menor que la de los láseres de radiación visible (Fig. 2).

Fig 2 Esquema de funcionamiento de un laser de rayos X por amplificación de emisión espontánea (ASE). Compárese con el esquema de la figura 1.

Fig 2. Esquema de funcionamiento de un laser de rayos X por amplificación de emisión espontánea (ASE). Compárese con el esquema de la figura 1.

Recientemente se han diseñado estructuras con aceptable capacidad de reflejar rayos X que incidan perpendicularmente sobre ellas. Pueden, pues, funcionar como espejos adecuados para realimentar tal tipo de radiación en una cavidad. La principal dificultad es lograr que esos espejos no se deterioren rápidamente por el contacto o la cercanía del medio activo, que en el caso de los láseres de rayos X esta constituido por un plasma altamente ionizado (un gas formado por electrones libres e iones con carga positiva), compuesto por abundantes cargas positivas y negativas, con gran energía, las que, al incidir sobre los espejos, los destruyen rápidamente. A pesar de estas dificultades tecnológicas, recientemente se observó el efecto de realimentación en un láser de selenio SeXXV con dos espejos sobre los que los rayos inciden perpendicularmente. (Igual que en los casos que se mencionan más adelante, los número romanos que siguen al símbolo químico indican la cantidad de electrones más uno que el elemento ha perdido, notación que es habitual en espectroscopia; aquí se trata de un átomo de selenio ionizado veinticuatro veces, o sea, al que le faltan veinticuatro electrones.)

Como alternativa a los espejos enfrentados se ha propuesto la construcción de cavidades cerradas en forma de anillo, con espejos de ciertos metales que pueden alcanzar reflectividades altas si la radiación incide en forma rasante sobre ellos (es decir, formando un ángulo de no más de 10° con su superficie). En este tipo de cavidades, la radiación sería guiada en sucesivas reflexiones a lo largo del recorrido cerrado, y se amplificaría sucesivamente pasando varias veces por el medio activo. El proceso requiere que dicho medio se mantenga con inversión de población mientras la radiación se va reflejando o, alternativamente, que sea bombeado cuando la radiación alcanza la zona activa luego de recorrer toda la cavidad en anillo. Vale decir; el medio activo amplifica durante todo el tiempo que la radiación tarda en recorrer la cavidad resonante, o es reactivado cada vez que pasa por él. Sí bien es factible construir dispositivos de este tipo, y de hecho se los usa en láseres de luz visible, aún no se ha demostrado experimentalmente que funcionen para los de rayos X y, por el momento, el ASE es el único mecanismo utilizable para generar luz láser en esa zona del espectro.

Para describir con mayor precisión un láser de rayos X, habría que decir que su medio activo es el mencionado plasma muy ionizado que, en determinadas condiciones de temperatura y densidad, puede sufrir inversión de población. El procedimiento más utilizado para generar el plasma es irradiar un blanco sólido con un pulso de otro láser de muy alta energía, lo cual produce abundantes iones del elemento que compone dicho blanco. Los láseres de bombeo utilizados para tal propósito son los mismos que se emplean en los grandes equipos usados para la fusión de átomos de deuterio-tritio con el propósito de generar energía; son muy complejos y tienen importante costo operativo.

Los valores típicos de energía de los pulsos de bombeo rondan los 1000 julios, con densidades de potencia de irradiación en el blanco de 1014 vatios por centímetro cuadrado. Los láseres de rayos X quedaron limitados a aplicaciones puramente académicas, ya que su utilización estuvo, hasta ahora, restringida exclusivamente a laboratorios con medios para construir y mantener en funcionamiento esos enormes equipos. Con tales sistemas de bombeo por pulsos láser de alta energía se obtuvieron decenas de transiciones láser en diferentes elementos altamente ionizados, como la del selenio SeXXV irradiado con rayos de 20,6nm de longitud de onda; la del germanio GeXXIII, con 23,6nm; la del ytrio YXXX, con 15,5nm; la del carbono CVI, con 18,2nm y varias otras. Las longitudes de onda generadas llegan hasta los 4,5nm, con pulsos de hasta 50 nanosegundos (50 mil millonésimas de segundo) de duración y con energías por pulso de algunos cientos de microjulios.

Otra forma de lograr plasmas altamente ionizados consiste en reemplazar el costoso y complicado láser de bombeo por una descarga eléctrica (la que, a veces, es igualmente costosa y complicada). En un medio gaseoso, la energía de la descarga proviene de un capacitor (dispositivo capaz de almacenarla), que la entrega rápidamente al recipiente que contiene el medio activo. Se ha trabajado intensamente en el estudio de diferentes configuraciones de descarga del capacitor, para lograr las condiciones que produzcan inversión de población. Para intentar obtener amplificación de rayos X. se utilizaron grandes máquinas que pueden producir pulsos de tensión de varios millones de voltios y corrientes de millones de amperios. Estos dispositivos generaron plasmas ionizados con temperatura y densidad adecuadas para el propósito buscado, pero la aparición de inestabilidades en la columna de plasma que se forma luego de la descarga produce inhomogeneidades lo suficientemente importantes como para destruir la amplificación, lo que hasta el momento ha determinado el fracaso de la búsqueda de un láser de rayos X mediante este método de bombeo.

La descarga en tubos capilares (esto es, tubos de diámetro pequeño con relación a su longitud) ha demostrado ser, hasta ahora, el procedimiento más eficaz. El efecto estabilizador de las paredes del capilar es suficiente como para lograr una columna de plasma homogénea con la calidad óptica necesaria para actuar como amplificador de la radiación. Además, la geometría alargada del capilar es adecuada para un láser, ya que la luz encuentra un camino de mayores dimensiones en la dirección del eje del capilar, a lo largo del cual se puede amplificar. La primera demostración de funcionamiento de un láser con alta amplificación en la región de los rayos X blandos se logró, usando como medio activo un plasma de argón, mediante una descarga eléctrica a través de un capilar.

Hasta ahora, los procedimientos de bombeo más efectivos se basan en dos procesos físicos diferentes: la recombinación no radiativa y la excitación por impacto electrónico. La primera requiere que, sin emisión de fotones, parte de los electrones perdidos durante la formación del plasma se vuelvan a asociar con el ion. Un buen elemplo de tal proceso es el láser de carbono CVI cuando genera radiación de 18,2nm de longitud de onda. Ello necesita la formación de un plasma con una alta proporción de átomos de carbono totalmente ionizados (que hayan perdido todos sus electrones y, por lo tanto, tengan seis cargas positivas, o CVII). Tales iones CVII se recombinan con un electrón y dan, como producto, iones CVI, con una proporción grande de estos ubicados en niveles altos de energía: en ellos tiene lugar la inversión de población. El término recombinación no radiativa alude a que los niveles altamente excitados del ion producto pierden energía preferentemente por colisión con otros iones, mientras que los niveles con menor excitación lo hacen, ante todo, por emisión de fotones.

En los iones hidrogenoides, que, como el de hidrógeno, tienen un solo electrón, la inversión de población se produce en un nivel de energía tal que, desde allí hacia arriba, se pierde energía sin emisión de radiación, y hacia abajo, con tal emisión. La recombinación no radiativa es proporcional al cuadrado de la densidad electrónica (que depende de la cantidad de electrones libres por unidad de volumen) e inversamente proporcional a la temperatura electrónica (la energía cinética de los electrones) elevada a la potencia 4,5 (la raíz cuadrada de la potencia novena). Por consiguiente, para favorecer la recombinación deben generarse plasmas altamente ionizados, densos y con temperatura electrónica baja. Con el fin de lograr esas condiciones, se han ensayado con éxito varios procedimientos para enfriar el plasma (expansión, radiación y conducción) y, en todos los casos, este se genera haciendo incidir un haz láser de muy alta energía sobre un blanco de carbono.

En el otro esquema de bombeo -la excitación por colisión electrónica-, el acceso de los átomos ionizados de un elemento a niveles más altos de energía se obtiene mediante la transferencia de esta que resulta de la colisión de esos átomos con los electrones del plasma. Desde el nivel de excitación alcanzado, el ion decae a uno inferior al perder energía por emisión estimulada. Este es el esquema de bombeo que utilizan la mayor parte de los láseres de rayos X, en particular los de la llamada secuencia isoelectróníca del neón, que corresponde los iones de diferentes elementos cuya nube electrónica es similar a la del átomo de neón. Esta clase de iones se suele llamar tipo neón y ha demostrado ser la más eficaz en producir inversión de población, en gran medida, por su estabilidad, que tiene un alto potencial de ionización (energía necesaria para arrancarle electrones) asociado a una estructura de capa cerrada. El láser de argón ArIX, obtenido recientemente mediante una descarga en un capilar, es un ejemplo de esta secuencia isoelectrónica, en la que la inversión se produce por el mecanismo de excitación por colisión.

Las descargas en capilares han sido utilizadas desde hace años como una forma sencilla y eficiente de producir plasmas densos que actúen como fuentes no coherentes de radiación en el rango de longitudes de onda que van del ultravioleta de vacio a los rayos X blandos, es decir, en la región del espectro correspondiente a las longitudes de onda entre los 100nm y los 10nm. Tal sistema de excitación genera un plasma denso y muy ionizado, por medio de una descarga rápida de alta tensión proveniente de dos electrodos ubicados en los extremos del capilar. El plasma se produce por el aporte de material de las paredes del capilar, o por la previa inyección de algún gas en este. El procedimiento fue propuesto por primera vez en 1988, para el CVI, como una manera de obtener un láser de rayos X blandos; luego, varios grupos de investigación lo emplearon y confirmaron la factibilidad de lograr inversión de población, usando la recombinación no radiativa, mediante una descarga de alta tensión en un capilar con CVI. Los resultados, sin embargo. fueron difíciles de reproducir y algunas de sus características todavía no son bien entendidas.

A mediados de 1994, investigadores del departamento de ingeniería eléctrica de la Colorado State University lograron acción láser con ganancias altas mediante descargas en capilares. Consiguieron amplificar radiación de 47nm por un factor mayor que tres millones -la primera vez que se alcanzó semejante amplificación con un láser bombeado por una descarga eléctrica en la región de rayos X blandos- y dejaron demostrada la posibilidad de usar ese método de excitación para hacer funcionar un láser en tal región del espectro electromagnético.

Si, desde el principio, uno de los objetivos de quienes investigan estos temas fue diseñar un láser de funcionamiento sencillo, compacto y eficiente en la región de los rayos X, que pudiese usarse masivamente, igual que los láser de radiación visible que hoy día son tan populares en miles de aplicaciones, la novedad del sistema ensayado con éxito en Colorado consiste en que quedó demostrada la factibilidad de reemplazar el complicado y costoso láser de bombeo de alta energía por una descarga de alta tensión, que resulta conceptualmente más sencilla y, sobre todo, se vale de un equipo mucho más compacto, económico y eficiente. Ello representa un gran paso adelante hacia un prototipo barato, compacto y económico (Fig. 3).

Fig 3 Vista del equipo utilizado por el grupo de investigaciones de la Colorado State University. Se aprecia el cilindro, esquematizado en la figura 4 que contiene al capacitor, así como el tubo de vacío a la salida del capilar donde ocurre la descarga, por el que viaja el haz láser de rayos X.

Fig 3 Vista del equipo utilizado por el grupo de investigaciones de la Colorado State University. Se aprecia el cilindro, esquematizado en la figura 4 que contiene al capacitor, así como el tubo de vacío a la salida del capilar donde ocurre la descarga, por el que viaja el haz láser de rayos X.

El equipo creado en los Estados Unidos -por un grupo de investigación cuyo director, Jorge Rocca, es de origen argentino, lo mismo que cuatro de sus nueve integrantes- es del tamaño de una heladera comercial y lo suficientemente sencillo como para ser operado por una sola persona. Toma la energía eléctrica que requiere de la línea de distribución doméstica, por una ficha de pared. Muy esquemáticamente, está constituido por un generador de alta tensión que produce una descarga dentro de un capilar; esta crea un plasma formado por material de las paredes del capilar o por gas que se coloca en el canal de descarga antes del disparo. La energia producida por la descarga basta para lograr las condiciones de densidad y temperatura necesarias para que el plasma amplifique la radiación X y se convierta en un láser. De esta forma, un sistema más sencillo y eficiente -la descarga de alta tensión- reemplaza al costoso y complicado láser de bombeo.

La figura 4 es un esquema del aparato de la universidad de Colorado. El generador de alta tensión es capaz de producir pulsos de doscientos mil voltios, que cargan en forma pulsada a un capacitor. La energia acumulada en este se deposita rápidamente en un canal de descarga, por un capilar de plástico de 4mm de diámetro y de entre 3cm y 20cm de largo. El pulso genera una corriente eléctrica de alrededor de 40 mil amperios, que, al circular por el capilar lleno de gas argón, produce el plasma, el medio activo del láser. La gran densidad de corriente ioniza el argón varias veces, para producir argón tipo neón, ArIX, un núcleo de argón con una nube electrónica similar a la del neón. El ion del argón tiene una transición con emisión de radiación de 47nm de longitud de onda, en la que es posible obtener inversión de población, lo que le permite funcionar como amplificador de luz.

Fig 4 Esquema del aparato de la figura 3

Fig 4 Esquema del aparato de la figura 3

El plasma de argón as excitado constituye el láser bombeado por des-carga de menor longitud de onda logrado hasta el momento. La principal virtud del sistema, y la razón por la cual tuvo un impacto importante entre los científicos dedicados a la cuestión, es su sencillez, en comparación con otros sistemas bombeados por láseres de energía mucho mayor. Además, demostró que es posible alcanzar intensidades de luz láser suficientemente altas como para pensar razonablemente en aplicaciones prácticas en el futuro próximo, pues produce pulsos de radiación intensos, de corta longitud de onda, con una repetítividad nunca alcanzada y con un costo operativo varios órdenes de magnitud menor que los similares bombeados por otros láseres. Ya tiene muchas de las características deseables para un instrumento que pueda usarse en laboratorios de investigación en forma más o menos masiva. El pasaje de curiosidad de laboratorio a herramienta útil para la ciencia es ahora un camino cierto.

La emisión del láser de la figura 4 fue analizada mediante un espectrómetro que separa la luz emitida por el plasma en las diferentes longitudes de onda que la componen; ello permite distinguir la luz láser de la emisión de fondo del plasma. La figura 5 muestra lo que se observa en ese detector a medida que el largo del capilar aumenta de 3cm a 12cm. Las diferentes longitudes de onda se registran en la dirección horizontal, mientras que en la vertical se obtiene una imagen de la rendija del espectrómetro; la intensidad está representada por los colores: cuanto mayor, más rojizo. Con una longitud del capilar de 3cm, la emisión es más o menos pareja en las diferentes longitudes de onda, por lo que en la pantalla del detector aparece una serie de líneas verticales (algunas apenas se distinguen por lo tenues): indican que el láser tiene una intensidad similar al fondo de luz del plasma. Con un capilar de 6cm de largo, se puede ver que la emisión dominante es la del láser, y se advierte nítidamente una línea vertical mucho más intensa que el resto, lo cual se hace más evidente con un capilar de 12cm, pues el láser es lo único que se observa, ya que satura completamente al detector debido a su intensidad, miles de veces mayor que las otras líneas del plasma. De hecho, la intensidad del pulso láser es tal que debe ser atenuado más de 4000 veces para no saturar el detector.

Fig 5 Imagen del espectómetro en la que se separa la luz emitida por el plasma según sus diferentes longitudes de onda, registradas en la dirección horizontal. En esta foto en blanco y negro, la intensidad es directamente proporcional al brillo

Fig 5 Imagen del espectómetro en la que se separa la luz emitida por el plasma según sus diferentes longitudes de onda, registradas en la dirección horizontal. En esta foto en blanco y negro, la intensidad es directamente proporcional al brillo

Al caracterizar la emisión, se encontró que se trata de un haz de alta colimación, con una divergencia de pocos milirradianes y con una energía total estimada en algunas decenas de millonésima de julio. El análisis de la duración del pulso muestra que la emisión se sostiene durante un nanosegundo. Estas características se repitieron consistentemente en los numerosos disparos realizados. El láser puede funcionar muchas veces por día y sus características de emisión se repiten en cada disparo. Lo estudiado hasta el momento permite pensar, con cierto viso de realismo, en llevar a cabo aplicaciones concretas de esta nueva fuente láser.

El mismo esquema de excitación podría aplicarse a elementos más pesados, para alcanzar longitudes de onda aun menores. En este campo y en el de aplicaciones inmediatas se centra el mayor esfuerzo. Posiblemente, en un futuro cercano, este tipo de láseres sea de uso tan habitual que muchos grupos de investigación, en diferentes lugares, podrán contar con la novedosa fuente de luz y aumentar sus posibilidades en varios campos de la ciencia y la tecnología.

Lecturas Sugeridas

COLLINS, G.P., Oct. 1994, "Table Top Capillary Discharge Soft X-Ray Laser Demonstrated", Physics Today, 47:19-22.

ELTON, R., 1990, X-Ray Lasers, Academic Press, Boston.

GLANZ, J., 4 NOV. 1994, "Putting X-Ray Lasers on the Table", Science, 266, 4:732.

ROCCA, J., SHLYAPTSEV, V., TOMASEL, F.G., CORTAZAR O.D., HARTSHORN, D., & CHILLA, J.L.A., 1944, "Demonstration of a Discharge-Pumped Table Top Soft X-Ray Laser", Phys. Rev. Letters, 73:2192-2195.

SIEGMAN, A., 1968, Lasers, University Science Books, Stanford.

Mario Marconi

Mario Marconi

Departamento de Física - Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (UBA)