La óptica es el campo de la ciencia y la tecnología que trata sobre los fenómenos asociados con la generación, transmisión, manejo, detección y uso de la luz, cuyo elemento fundamental es el fotón. La luz es una forma de energía compuesta de campos eléctricos y magnéticos cuyo intervalo de longitudes de onda va más allá de lo que pueden detectar nuestros ojos (de 0.4 a 0.7 micrómetros) ya que se extiende en todo lo que llamamos el espectro electromagnético. La óptica le ha permitido a la humanidad tener acceso a nuevos mundos o una nueva visión de nuestro propio mundo; por ejemplo, el microscopio inventado en 1590 es una herramienta invaluable en la biología y la medicina, el telescopio inventado en 1608 dio origen a la astronomía y por último, la cámara fotográfica desarrollada en 1826 permitió registrar eventos importantes.
Con la aparición de los láseres en 1960, el estudio de la óptica tuvo una de sus mayores revoluciones. En la actualidad los desarrollos tecnológicos derivados de este hallazgo se utilizan en múltiples áreas: láseres, fibras ópticas, óptica no lineal, optoelectrónica, óptica cuántica, haces invariantes, manipulación óptica, biofotónica y cristales fotónicos, entre otras. Una de las áreas donde esta revolución ha tenido mayor impacto es en las comunicaciones, ya que ha permitido obtener sistemas que operan controlando luz con luz y que permiten enviar una mayor cantidad de información en la forma más rápida hasta ahora conocida: a la velocidad de la luz. Otra de las áreas donde el láser ha tenido repercusión ha sido en la espectroscopía, su alta monocromaticidad permite alta precisión en las regiones visible, infrarrojo y ultravioleta. También ayudó a concebir la espectroscopía Raman. Más aún, sin los láseres no hubiera sido posible concebir la espectroscopía no lineal, en la cual dos o más fotones interactúan con la materia permitiendo transiciones no permitidas por las reglas de selección cuántica.
Otra técnica desarrollada a partir de la invención del láser es la química láser-inducida (como parte de la fotoquímica), donde la luz sirve como catalizador de algunas reacciones químicas. También de manera notable se han desarrollado técnicas de manejo de pequeñas partículas (menores a una micra) utilizando luz (conocidos como pinzas ópticas, donde la luz atrapa y controla el movimiento de partículas), así como el desarrollo de trampas de átomos para generar haces de átomos coherentes. Esto último permitió lograr recientemente un nuevo estado de la materia: la condensación de Bose-Einstein. Estas técnicas permiten manipular pequeñas partículas para escribir y controlar la materia a escalas atómicas y en tiempos tan cortos como el movimiento de los electrones.
Podemos decir que el nacimiento de la óptica no lineal se da inmediatamente después de la invención del láser en 1960 debido a que el campo eléctrico generado por la luz láser es comparable con el campo eléctrico interatómico (~105-108 V/m)1. Estos campos eléctricos tan grandes producen desplazamientos inarmónicos de los electrones de los átomos. Una de las consecuencias prácticas de esto es la generación de un amplio espectro de nuevas longitudes de ondas (desde el UV1 hasta el infrarrojo cercano) vía generación de segundo armónico (por ejemplo, ¡conversión de luz infrarroja a verde!), generación de armónicos de orden más alto, amplificación paramétrica, dispersión Raman, etcétera. Una de las características de la luz es que en ocasiones se comporta como onda y en otras como partícula, y en su propagación sufre un fenómeno al que se le denomina difracción, el cual se manifiesta cuando un haz de luz de extensión transversal finita se va expandiendo conforme va viajando. Bajo ciertas condiciones esta difracción se puede eliminar obteniendo haces adifraccionales, en el caso lineal, o solitones ópticos, en el caso no lineal. Con un haz láser así, además de ser más preciso, se podría tener una alta intensidad en un espacio mayor. Una característica (extraordinaria) de estos haces es que pueden reconstruirse si una porción de ellos es obstruida. También estos haces pueden tener un frente de onda en forma de tobogán que es capaz de poner en rotación micro-engranes y así crear micro-motores.
Investigaciones en las aéreas anteriores, donde el láser es fundamental, se realizan en el grupo de Ciencias e Ingeniería Optoelectrónica de la Coordinación de Óptica del INAOE.
Notas
1 Voltios por metro
2 UV: ultravioleta.
