Pensándolo bien...

Los láseres concretan el concepto de emisión estimulada, diseñada por Einstein en 1905 y materializada en la década de los sesenta y posteriormente generalizada en la década de los ochenta del siglo pasado. El avance de la microelectrónica ha potenciado la realización de dispositivos de emisión láser basados en materiales en estado sólido, que no incluye a los basados en semiconductores, denominados usualmente como de diodo.

El láser de estado sólido incluye al láser de Rubí, que fue el primer láser hecho por el hombre, construido por Theodore Maiman en 1960. Su fundamento se basa en que para ciertos átomos incluidos en un cristal se pueden excitar con la luz de una fuente intensa y desencadenar la acción láser. El cristal suele adoptar la forma de una varilla con geometría cilíndrica que, incorporado a una cavidad óptica genera la emisión estimulada en forma de láser. El más representativo de los láseres de estado sólido es el de neodimio.

El funcionamiento, en detalle, consiste en que el material cristalino actúa como el medio activo del láser y los átomos o iones pueden ser excitados mediante una fuente de luz intensa, como una lámpara de flash o un diodo láser para producir emisión estimulada de radiación. Como medio activo, tenemos por ejemplo, rubí y el Nd:YAG, que contiene átomos o iones que tienen niveles de energía discretos. En el caso del láser de rubí, los iones de cromo (Cr³⁺) están incorporados en una matriz de óxido de aluminio (Al₂O₃) y en el Nd:YAG (granate, itrio y aluminio dopado con neodimio, los iones Nd³⁺ son los que proporcionan las transiciones ópticas necesarias. La excitación se lleva a cabo con luz intensa de una lámpara de flash o un diodo láser, que emite luz intensa para excitar los electrones en los átomos del cristal desde su estado fundamental hasta niveles de energía superiores (estado excitado). Tras ello tiene lugar la emisión espontánea, después de un tiempo muy corto, en que los electrones excitados regresan a un estado metastable (nivel energético intermedio que tiene una vida más larga), y desde este estado, pueden caer espontáneamente a niveles inferiores, emitiendo fotones en el proceso. La cuestión es que, si un fotón pasa cerca de un átomo en el estado metastable, puede estimular la emisión de otro fotón con la misma dirección, fase, frecuencia y polarización, lo que amplifica la luz de manera coherente. Es la emisión estimulada.

Para la amplificación en la cavidad óptica, el cristal está colocado entre dos espejos, uno completamente reflectante y otro parcialmente reflectante. Este diseño permite que los fotones reboten dentro de la cavidad, estimulando más emisiones en cadena. Eventualmente, parte de la luz coherente escapa a través del espejo parcialmente reflectante como una radiación láser.

Ejemplos de láseres de estado sólido los encontramos en el láser de rubí, que, como hemos señalado, fue el primer láser inventado y utiliza rubí (Al₂O₃ dopado con Cr³⁺). Otro caso es el denominado de Nd:YAG, muy usado en aplicaciones industriales y médicas y otro muy conocido es el de Ti:zafiro, con un amplio rango de longitudes de onda, ideal para espectroscopia y aplicaciones de duración ultracorta.

Itrio, aluminio y granate (YAG) son los materiales que se utilizan habitualmente en el láser de estado sólido de neodimio. Las alternativas más conocidas al YAG incluyen el fluoruro de itrio y litio (YLiF₄), conocido por el acrónimo YLF y los medios basados ​​en óxido de tungsteno y los cristales de zafiro, generalmente dopados con partículas de titanio. Estos láseres producen diferentes longitudes de onda de salida, como se indica a continuación:

                            Imagen creada con ayuda de ChatGPT con DALL-E

El sistema de bombeo presenta varias opciones, desde lámparas de arco continuo a flases o láseres de diodo, como el de GaAs que proporciona radiación de 800 nanometros e incrementa la eficiencia de os láseres bombeados por lámpara. Los láseres de estado sólido generan haces continuos de pocos milivatios hasta varios kilovatios, con pulsos cortos del orden de nanómetros y potencias máximas entre kilovatios y gigavatios. Hay accesorios, como los osciladores paramétricos (OPO o MOPO) que permiten transformar la longitud de onda de salida desde el infrarrojo cercano al ultravioleta, multiplicando la frecuencia y produciendo pulsos de alta energía y corta duración como la conmutación Q o bloqueo de modos.

Uno de los avances recientes en los láseres de estado sólido son los láseres de disco fino. El medio activo es un cristal de YAG dopado con Iterbio y que emite a 1030 nanometros. El medio activo tiene forma de disco fino en lugar del tradicional de varilla. La aportación radica en que disipa mejor el calor y reduce el efecto de lente térmica, que es un fenómeno que ocurre en medios ópticos, como cristales, vidrios o líquidos, cuando se calientan de manera no uniforme debido a la absorción de luz. Este efecto puede ser especialmente significativo en sistemas láser de alta potencia y puede influir en la calidad del haz láser y el rendimiento del sistema.

Cuando un material absorbe energía de la luz láser, parte de esa energía se convierte en calor. Este calentamiento no es uniforme, ya que la absorción suele ser mayor en el centro del haz , que es la zona de mayor intensidad. Se genera un gradiente térmico dentro del material: la temperatura es más alta en el centro y disminuye hacia los bordes. Este gradiente causa cambios en las propiedades del material, como la expansión térmica y el índice de refracción. En la mayoría de los materiales, el índice de refracción depende de la temperatura (efecto óptico térmico) y el gradiente de temperatura provoca un gradiente en el índice de refracción, convirtiendo el material en una especie de lente, que modifica la trayectoria y el enfoque del haz láser. Esto puede causar divergencia del haz, pérdida de calidad de la forma del haz y dçuna disminución de la eficiencia del sistema óptico. En láseres como el Nd:YAG, el efecto de lente térmica ocurre cuando el cristal es bombeado con potencia elevada. Esto puede reducir la calidad del haz o limitar la potencia de salida debido a efectos no lineales o inestabilidad en la cavidad.

Básicamente las consecuencias del efecto de lente térmica, se concretan en una distorsión del haz, dado que el haz láser pierde su forma original, lo que puede reducir su capacidad de focalización; un desajuste óptico, porque en un resonador láser, la lente térmica puede cambiar las condiciones de resonancia y disminuir la eficiencia y también el recalentamiento localizado puede causar fracturas, estrés térmico o daños permanentes en el medio óptico.

La propuesta de los láseres de disco fino trata de superar estos problemas conformando un medio activo que es un cristal de YAG dopado con iterbio que emite a 1030 nm, muy próximo a los 1036 del láser convencional de Nd YAG y alcanza potencias de 1 kW. El medio láser tiene forma de disco, en lugar de varilla, mejorando la disipación de calor y reduciendo considerablemente el efecto de lente térmica relatado. Se mejora sustancialmente la calidad del haz. Se bombea con lámparas flash o diodos, que en el caso del convencional sale paralelo al eje de la varilla. El refrigerante fluye a lo largo de la varilla y se genera un perfil de temperatura parabólico y perpendicular a la dirección del haz, lo que provoca el efecto señalado de lente térmica y ocasiona una divergencia del haz, lo que disminuye la calidad del mismo y afecta a la densidad de energía disponible en el enfoque.

Al sustituir la varilla por el disco se altera sustancialmente la relación superficie-volumen. El disco tiene unos centenares de micras de espesor varios milímetros de diámetro y está recubierto en un extremo por una superficie reflectante, que es el espejo trasero del resonador láser, y está dispuesto sobre un disipador de calor. La alta relación superficie-volumen y la disposición del

disipador de calor junto a un diámetro de la fuente láser de bombeo mucho mayor que el espesor del disco, logra un enfriamiento axial, con lo que se reduce el efecto de lente térmica e incrementa sustancialmente la calidad del haz. Alterando el nivel de bombeo, se modifica la potencial del láser generado y se logra variando simultáneamente la potencia de bombeo y el área del disco que bombea. Se puede bombear a intensidad constante independientemente del nivel de potencia y se logran grandes calidades del haz. Por otro lado, dado que el disco es muy delgado, o que permite una refrigeración muy eficiente, conlleva que tan solo se absorbe una pequeña fracción de la luz de bombeo que atraviesa el disco. Se incrementa la eficiencia del bombeo reflejando el haz en la cara posterior del disco con un recubrimiento del mismo. En realidad, se disponen un conjunto de espejos que reflejan la luz de bombeo haciéndola pasar hasta 16 veces, aumentando considerablemente la absorción por el disco. Así se logran potencias de hasta 1 kW con un solo disco y combinando varios discos se consiguen varios kilovatios.

En suma la mayor calidad de los láseres de disco, frente a los de varilla de Nd:YAG, se concreta en que para la misma potencia de salida, se pueden utilizar diámetros de fibra más pequeños y diámetros de foco más pequeños ("tamaños de punto o spot"), aumentando así la densidad de potencia en el punto, al tiempo que se pueden utilizar distancias de trabajo mayores para el mismo tamaño de punto, proporcionando al mismo tiempo una mayor profundidad de enfoque y para la misma distancia de trabajo se pueden utilizar ópticas de menor diámetro, disminuyendo su peso y mejorando la accesibilidad, además de que la densidad de potencia umbral requerida para el procesamiento de materiales se puede lograr con una potencia láser más baja, reduciendo la necesidad de disipación de calor.

Debido a estas características señaladas, los láseres de disco fino han encontrado diversas aplicaciones en múltiples campos: a) proceso de materiales, ya que gracias a su alta potencia y calidad de haz, son ideales para el corte, soldadura, perforación y grabado de materiales como metales, plásticos y cerámicas. Permiten un procesamiento preciso y eficiente, reduciendo el daño térmico a los materiales; b) micromaquinado de precisión, porque la capacidad de generar pulsos ultracortos permite su uso en el micromaquinado donde se requiere alta precisión, como en la fabricación de dispositivos electrónicos y microestructuras; c) medicina y cirugía láser, pues se utilizan en procedimientos médicos que requieren alta precisión y control, como cirugías oculares, dermatología y otras aplicaciones quirúrgicas donde el control térmico es crucial d) investigación científica, ya que en los laboratorios, se emplean para estudios que requieren pulsos láser de alta potencia y alta calidad, como en espectroscopía avanzada, generación de rayos X, física de plasmas y experimentos de fusión nuclear por confinamiento inercial; e) en aplicaciones militares, los láseres de disco fino se investigan para sistemas de defensa láser de alta energía, incluyendo la intercepción de misiles y drones. Su alta potencia y eficiencia los hacen candidatos atractivos para estas aplicaciones; f) industria aeroespacial, ya que se consideran para comunicaciones ópticas en el espacio debido a su capacidad para mantener un haz coherente y de alta calidad sobre largas distancias, facilitando la transmisión de datos entre satélites y estaciones terrestres; g) fabricación aditiva o impresión 3D para la fabricación de piezas metálicas y componentes complejos con alta precisión y calidad superficial; h) comunicaciones ópticas, pues la generación de pulsos ultrarrápidos los hace adecuados para sistemas de comunicación de alta velocidad y gran ancho de banda, mejorando la transferencia de datos en redes de fibra óptica; i) industria del semiconductor, en la fabricación y reparación de semiconductores, ya que se emplean para litografía láser y para reparar máscaras y chips con alta precisión sin dañar las áreas circundantes y j) aplicaciones medioambientales, donde se utilizan en la detección remota y el control ambiental, incluyendo la medición de contaminantes atmosféricos y la cartografía a través de técnicas LIDAR.

Los láseres de disco fino son herramientas versátiles y eficientes que, gracias a su alta potencia, excelente calidad de haz y capacidad para operar de manera continua o pulsada, encuentran aplicaciones en una amplia gama de industrias y campos de investigación.

Sopa de letras: LÁSERES DE DISCO

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