En la vida diaria estamos acostumbrados a utilizar dispositivos que se basan en el láser, tanto en medicina como en aparatos de audio (lectores de compact-disc) y en multitud de aplicaciones, de tal forma que se puede decir que el láser es algo omnipresente en nuestra vida, y por supuesto también en telecomunicaciones, en concreto en la fibra óptica, ya que los emisores de luz con la señal que contiene la información que se propaga por la fibra óptica son dispositivos láser. Pero históricamente, antes del láser vino el máser, que se basa en los mismos principios físicos pero en vez de ondas electromagnéticas del espectro de luz visible con ondas de alta frecuencia o microondas. Los dispositivos máser son imprescindibles para las comunicaciones por satélite, para las comunicaciones con naves espaciales y para la recepción con radiotelescopios de ondas de radio del espacio profundo.
MASER es el acrónimo de Microwave Amplification by Estimulated Emission of Radiaton, de la misma forma que LASER es Light Amplification by Estimulated Emission of Radiaton, es decir, amplificación de microondas (o luz) por emisión estimulada de radiación. En realidad el término láser ha pasado ya a la cultura popular, lo que no ha ocurrido con el máser, obviamente porque el láser se usa mucho en nuestra vida diaria, en cambio el máser no, solo para aplicaciones tecnológicas muy específicas. Veamos en qué consiste el principio físico del láser y el máser.
Los principios físicos del máser y el láser
El láser es un tipo de rayo de luz del espectro visible que es completamente coherente y extremadamente preciso. Normalmente se denomina láser al rayo de luz obtenido por un dispositivo generador láser. En cambio, con el máser no ocurre lo mismo terminológicamente, el máser sería el dispositivo generador de una onda electromagnética del espectro de las microondas completamente coherente. En realidad el principio de la física para el láser y el máser es el mismo, en el primer caso para luz visible y en el segundo para microondas. Las microondas son las ondas electromagnéticas cuya longitud de onda se sitúa entre un milímetro y un metro, lo que se corresponde con un rango de frecuencias entre 300 MHz y 300 GHz, aunque según países y especificaciones cambian algo estos rangos de definición de las microondas, situándose la longitud de onda entre 30 cm y 1 mm (frecuencia entre 1 GHz y 300 GHz)
La luz visible normal que proviene del Sol o la de las bombillas son de un amplio rango de frecuencias (o longitud de ondas, precisamente el rango de luz visible) y los fotones tienen diferentes direcciones, fases y polarización, es decir, conforman luz no coherente. Un rayo de luz es coherente cuando todos sus fotones tienen la misma energía, dirección, fase y polarización. Esto permite que este rayo de luz pueda ser manejado con extraordinaria precisión. Lo mismo para las microondas, si un frente de ondas del espectro de microondas es coherente, es que todas las ondas que lo componen tienen la misma energía, dirección, fase y polarización. Y también esas microondas coherentes, precisamente por serlo, son mucho más fáciles de amplificar con las mínimas perdidas posibles. De ahí que el máser se use para la señal recibida de antenas parabólicas que captan señales de satélites de muy baja intensidad, y, por tanto, susceptibles de recibir interferencias por el ruido electromagnético. Los términos energía (que depende de la frecuencia) y dirección son obvios, pero quizá no tanto los de fase y polarización.
La fase de una onda indica la situación instantánea en el ciclo de la oscilación que al propagarse compone la propia onda, es decir de la magnitud que varía cíclicamente. Se puede decir que dos ondas están en fase o fuera de fase según las imágenes siguientes con las que se entiende perfectamente el concepto de fase
En la imagen anterior las tres ondas están en fase, en cambio en la siguiente imagen las tres están fuera de fase entre todas ellas (Imagen tomada de la web https://electroagenda.com/es/velocidad-de-fase-de-ondas-y-senales/). Nota: os recomendamos visitar esta página web, https://electroagenda.com que es extraordinaria.
La polarización de una onda electromagnética describe la orientación geométrica de sus oscilaciones, en concreto la dirección del campo eléctrico en relación con su propagación. El fenómeno de la polarización solo se puede producir en ondas transversales, no en longitudinales.1 (Para la explicación de la diferencia entre ondas longitudinales y transversales ver nota aclaratoria al final de esta entrada). La idea se entiende muy bien con las siguientes imágenes:
Efecto de un polarizador sobre una onda para obtener polarización lineal (Imagen tomada de https://fisicotronica.com/polarizacion-de-ondas-electromagneticas/ )
Una vez aclarados los conceptos de fase y polarización, sigamos con los de luz u onda electromagnética estimulada. La idea de luz estimulada se basa en un principio de la física cuántica. Consiste en lo siguiente: los átomos no pueden emitir o absorber energía de forma continua, solo cuantizada, es decir en paquetes o cuantos de energía perfectamente establecidos. Cuando un átomo se encuentra en un estado excitado, por haber absorbido energía de cualquier tipo, es decir con uno o algunos electrones en un nivel de energía más alto del que le corresponde en su nivel fundamental, estos electrones tienden a volver a su nivel de energía estable, en definitiva el átomo tiende a volver a su nivel fundamental, y en ese proceso el átomo libera energía en forma de fotón. En este proceso, si se da en el mismo o en muchos átomos colindantes, los fotones liberados son aleatorios, su dirección, fase y polarización es aleatoria, cada fotón será de la frecuencia de las diferentes transiciones entre estados excitados y fundamentales de los átomos, esto es la luz normal, que no es coherente, que emiten los átomos que conforman moléculas al recibir primero radiación lumínica y segundo radiación que se emite según las frecuencias correspondientes a su estructura atómica; de ahí vemos los diferentes colores característicos de cada material. Es decir, primero se absorbe la energía lumínica, los átomos se excitan y al volver al estado fundamental emiten otra vez esa energía lumínica pero solo la correspondiente a los saltos de energía de los electrones excitados. Todo esto es el proceso normal de la interacción radiación-materia, en el que la emisión de radiación (fotones) se produce de forma espontánea. Ahora bien, cuando un átomo está excitado, podemos incidir sobre él fotones cuya energía coincida con la diferencia de dos niveles permitidos de las capas de ellos electrones. De esta forma, al producirse la transición energética de decaimiento, el fotón liberado tiene la misma energía, dirección, fase y polarización del fotón externo, con lo que se forman fotones coherentes, o lo que se denomina emisión estimulada. El fotón que se emite por la emisión estimulada es idéntico al fotón que desencadenó su emisión, y ambos fotones pueden desencadenar la emisión estimulada en otros átomos, creando una reacción en cadena a nivel molecular de tal forma que tenemos muchos fotones coherentes, lográndose así la amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación.
Todo lo anterior para el láser, en el caso del máser de lo que se parte es de unos átomos de determinados elementos cuya diferencia de energía entre el estado excitado y fundamental es de una frecuencia correspondiente al rango de las microondas. Alrededor de ese átomo se induce una microonda de la misma frecuencia del átomo excitado que al decaer a su estado estacionario radia otra onda de la misma energía, dirección, fase y polarización, y luego se produce en el resto de átomos la emisión en cadena de microondas completamente coherentes y amplificadas.
Desarrollo histórico del máser y el láser
La base teórica de láser y el máser está en la propia física cuántica, en concreto en dos artículos de Einstein de 1916, “Strahlungs -emission und-absorption nach der Quantentheorie” (Emisión y absorción de radiación según la teoría cuántica) en Deutsche Physikalische Gesellschaft, Verhandlungen, 18, p. 318 (1916). y “Zur Quantentheorie der Strahlung” (Sobre la teoría cuántica de la radiación) Mitteilungen der Physikalischen Gesellschaft Zúrich (1916).
En estos dos artículos Einstein sentó las bases teóricas de la emisión estimulada, considerando que en la interacción radiación-materia debía haber tres procesos: absorción y emisión espontánea, así como un tercer proceso de emisión estimulada, estableciendo para todos los casos las leyes de distribución de la radiación, en las que se deducía la ley original de Planck de radiación de un cuerpo negro pero llegando a ella por procedimientos teóricos diferentes. En realidad, esta propuesta teórica de Einstein no tendría aplicación práctica hasta muchos años más tarde, con la obtención del Maser. (todo esto me lleva a recordar una frase, de no me acuerdo quién, sobre que si Einstein no hubiera realizado ninguna contribución sobre lo que es más conocido, la Relatividad Especial y la General, por todas sus demás aportaciones a la física teórica ya habría pasado a ser uno de los físicos más importantes de la historia).
Históricamente se desarrolló antes el máser que el láser, de hecho al láser inicialmente se le denominada el máser óptico. El primer resultado experimental de un dispositivo máser lo consiguieron en 1953 tres físicos estadounidenses liderados por Charles Hard Townes. Tenía dos partes, un medio activo, que era el compuesto molecular con átomos capaces de emitir radiación, y una cavidad resonante en el que se introducía ese medio activo, cavidad en la que circulaba una señal débil de microondas, produciéndose entonces la radiación estimulada de ondas coherentes con la consiguiente amplificación al producirse una reacción en cadena de todos los átomos del compuesto (¡ojo! Esta reacción en cadena no tiene nada que ver con la reacción en cadena de la fisión nuclear, es una reacción en cadena de emisión estimulada de radiación).
Simultáneamente, en la Unión Soviética también se estuvo trabajando en el máser, en concreto Nikolái G. Básov y Aleksandr M. Prójorov, por lo que junto con Townes recibieron el premio Nobel de Física de forma conjunta “por sus trabajos fundamentales sobre la electrónica cuántica, lo que ha permitido la construcción de osciladores y amplificadores basados en el principio máser-láser”. En realidad se le dio cierta prioridad a Townes al concederle la mitad del premio y al otra mitad compartida por Basov y Projorov.
Nikolái G. Básov (1922-2001) Aleksandr M. Prójorov (1916-2002) Charles Hard Townes (1915-2015)
Podéis acceder a sus respectivas lecturas del acto de entrega del Premio Nóbel de Física en el siguiente enlace: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1964/summary/; el texto de Básov se denomina Semiconductor lasers, el de Prójorov Quantum Electronics y el de Townes Production of Coherent Radiation by Atoms and Molecules.
Aplicaciones del máser y el láser en telecomunicaciones
Como hemos indicado, la principal aplicación del láser en telecomunicaciones es como dispositivo emisor de luz que se introduce en las fibras ópticas, asunto al que dedicaremos una próxima entrada. Ahora nos limitamos a sintetizar aquí las aplicaciones del máser en telecomunicaciones.
El Máser se utiliza tanto para relojes atómicos (ya hablamos sobre la importancia de los relojes atómicos en telecomunicaciones en la entrada física y telecomunicaciones: los relojes atómicos) como en la recepción de señales en antenas para comunicaciones por satélite, así como para comunicaciones con naves espaciales e incluido para la detención de ondas de radio del espacio profundo (ondas asociadas a fenómenos astrofísicos naturales). Pero es que incluso en su origen la investigación en el máser vino también asociada a las telecomunicaciones, en concreto al radar. En efecto, tal como nos cuenta Helge Kragh en su extraordinario libro Generaciones Cuánticas, la física de microondas y el máser son deudores directos de los desarrollos del radar (os recomendamos la lectura del epígrafe de este libro en el que habla de este asunto: “el microondas, el láser y la óptica cuántica”). De esta forma se puede afirmar que el máser es hijo directo de la ciencia y tecnología del radar.
Dos ejemplos, entre otros muchos posibles, de uso de la tecnología del maser en telecomunicaciones, los tenemos en el caso de los satélites TELSTAR y en las antenas de la NASA para la recepción de ondas de radio del espacio profundo. En ambos casos se cumple el esquema general siguiente: Antena – guía de onda – máser de bajo ruido – receptor. La secuencia sería la siguiente:
1- La antena capta la señal de microondas procedente del satélite o de la nave espacial. En estaciones terrenas grandes, la señal recogida en el foco de la antena era muy débil por lo que era fundamental no degradar la relación señal/ruido, por lo que los amplificadores de bajo ruido se situaban cerca del punto focal o en una posición muy próxima a él, para minimizar pérdidas antes de la amplificación.
2. Guía de onda. Desde la antena, la señal de microondas se conducía mediante guía de onda, en vez de cable coaxial, ya que la guía de onda es el medio óptimo para transportar energía electromagnética a esas frecuencias con las pérdidas más bajas posibles y buen control del modo de propagación.
3. Máser de bajo ruido. La señal entraba después en el máser, con el objeto de proporcionar una ganancia alta con una temperatura de ruido extremadamente baja.
4. Receptor. Una vez amplificada por el máser, la señal pasaba al receptor, donde ya podía ser convertida, demodulada y procesada. La idea clave era que, al colocar una etapa de amplificación ultra-silenciosa al principio de la cadena, el ruido de las etapas posteriores tenía mucho menos efecto sobre el resultado final.
Para el primer caso, el de los satélites TELSTAR, hemos localizado las siguientes imágenes, procedentes del artículo “Masers for the Telstar satellite communications experiment”, Bell System Technical Journal, v. 42-1, july 1963 (https://ia800102.us.archive.org/5/items/bstj42-4-1863/bstj42-4-1863.pdf)
Para el caso de las telecomunicaciones en la detección del espacio profundo de la NASA os recomiendo la visita a la magnífica web DESCANSO, de la NASA, nombre curioso, que es el acrónimo un tanto forzado de Deep Space Communications and Navigation Center of Excellence, con extensa información sobre las telecomunicaciones relacionadas con el espacio profundo (https://descanso.jpl.nasa.gov/descanso/), aunque la información ahí contenida es para un nivel avanzado de lectura, casi diría yo para especialistas, ya que incluye mucha matemática avanzada.
De una de las monografías incluidas en esa web (William A. Imbriale, Large Antennas of the Deep Space Network, podéis acceder al índice de capítulos en el siguiente enlace: https://descanso.jpl.nasa.gov/monograph/series4_chapter.html, y la serie completa de monografías la tenéis en JPL DESCANSO Book Series, Deep Space Communications and Navigation Series ) hemos extraído la siguiente imagen, que ejemplifica muy bien el esquema anteriormente indicado de antena-guía de onda-maser-receptor:
La siguiente imagen representa un esquema general del sistema maser-antena (tomado de la monografía Low-Noise Systems in the Deep Space Network, el capítulo 3 Ruby Masers, urlhttps://descanso.jpl.nasa.gov/monograph/series10/03_Reid_chapt3.pdf.
En la siguiente imagen aparece el esquema de un dispositivo ULNA (Ultralow-Noise Amplifier), basado en la tecnología del máser (extraído del artículo de G. W. Glass, G. G. Ortiz y D. L. Johnson “X-Band Ultralow-Noise Maser Amplifier Performance” disponible en la web de la NASA https://ipnpr.jpl.nasa.gov/progress_report/42-116/116t.pdf )
En cuanto a las aplicaciones del láser en telecomunicaciones, la más importante es la de el emisor de luz que se introduce en las fibras ópticas, así como la multiplexación por longitudes de onda (WDM/DWDM para generar muchos canales en la fibra óptica, y, por supuesto, los equipos de medida de las fibras para supervisión y mantenimiento de las misma que usan igualmente tecnología láser. Aparte de las fibras ópticas también se usa el láser en el espacio libre (FSO en sus siglas en inglés) tanto en el aire, por ejemplo comunicaciones entre edificios, como en el espacio para comunicaciones espaciales (disponéis de amplia información en la web de la ITU, en concreto en el informe Fixed service applications using free-space optical links), pero este es otro mundo también extraordinariamente complejo, del que da cuenta, por ejemplo, la siguiente imagen de un terminal FSO.
Lecturas recomendadas
Os recomendamos la lectura de un epígrafe del magnífico libro Generaciones cuánticas, del que ya os hablamos en otras entradas anteriores de esta serie, dedicado al láser, denominado «El microondas, el láser y la óptica cuántica«
Por si queréis profundizar os dejamos aquí un magnífico trabajo, una tesis de ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México por parte de Miguel Angel Guillén Torres titulada Equipo Transmisor y Receptor Óptico.
Igualmente os recomendamos la lectura de dos artículos de divulgación de la revista Mundo Electrónico de hace ya bastantes años, Luis Ibáñez Morlán, “Fundamentos del láser” (enero 1971) y Eugene Aisberg “El láser y sus aplicaciones” (mayo 1972). También la entrada https://www.rfcafe.com/references/electronics-world/maser-november-1960-electronics-world.htm que reproduce un artículo muy interesante de 1960.
De este segundo artículo hemos extraído una imagen que me encanta, explicando muy didácticamente en qué consiste la luz coherente:
Imagen que me recuerda a varias de el gran Calpurnio en su maravillosa serie El bueno de Cuttlas, como por ejemplo la siguiente, en la que, en efecto, el ejército del séptimo de caballería se conforma de forma casi coherente, salvo por algunas excepciones de individuos a los que probablemente les caiga unos días en el calabozo:
También os recordamos las anteriores entradas de esta serie sobre física y telecomunicaciones:
Física y telefonía: el transistor
Física y Telecomunicaciones: los relojes atómicos
Física y Telecomunicaciones: Relatividad y GPS
Física y telecomunicaciones: las válvulas de vacío
Nota aclaratoria: ondas transversales y longitudinales
Una onda longitudinal es la que la dirección de la oscilación que se propaga coincide con la dirección que la propagación de la onda. Un ejemplo son las ondas de presión constituyentes del sonido o las de un muelle en que se comprime una parte del mismo y luego se suelta, como los de las figuras siguientes:
En cambio en una onda transversal la oscilación que se propaga es perpendicular a la de la propagación, como en las ondas electromagnéticas, en las que el campo eléctrico y el magnético son perpendiculares entre sí y, a su vez, perpendiculares a la dirección de propagación. En la figura siguiente un ejemplo de onda transversal, la de las ondas electromagnéticas, en las que tanto la onda del Campo eléctrico como la del magnético son transversales a la dirección de propagación.
1 En la página https://www.fisicacuantica.es/polarizacion/ viene de forma muy didáctica explicada la polarización, también en https://fisicotronica.com/polarizacion-de-ondas-electromagneticas/. Para la explicación de la diferencia entre ondas longitudinales y transversales ver nota aclaratoria al final de esta entrada
Historias de la telefonía y las telecomunicaciones en España 
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