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Un método excelente para el micromecanizado de materiales duros: acero, vidrio, cerámica

El láser de pulsos ultracortos

Pascual Bolufer, Institut Químic de Sarrià (IQS)07/09/2012
Cuando el 16 de mayo de 1960 Theodore Maiman presentó el primer láser, con los primeros pulsos de luz coherente, producidos con un cristal de rubí, no se imaginaba la infinidad de aplicaciones del láser hoy día. Hemos celebrado los primeros 50 años del láser, llenos de éxitos, y esperamos algo semejante en los próximos 50 años, en aumento de potencia y disminución de la anchura de los pulsos en femtosegundos.

Láser significa amplificación de luz por emisión estimulada de la radiación. El primero en sugerir esa emisión estimulada fue Albert Einstein en 1916. Hasta 1960 no aprovechamos esa inteligente idea. El láser consta de un medio activo capaz de generar luz. Hay cuatro procesos básicos que se producen en la generación del láser: bombeo, emisión espontánea de radiación, emisión estimulada de radiación y absorción.

El bombeo se provoca mediante una fuente de radiación, como puede ser una lámpara, el paso de una corriente eléctrica, o el uso de cualquier otro tipo de fuente energética, que provoque una emisión. En el láser el bombeo puede ser eléctrico u óptico, mediante tubos de flash o luz.

La emisión estimulada se produce, cuando un átomo en estado excitado recibe un estímulo externo que lo lleva a emitir fotones, y así retornar a un estado menos excitado. El estímulo en cuestión proviene de la llegada de un fotón con energía similar a la diferencia de energía entre los dos estados.

Los fotones así emitidos por el átomo estimulado poseen fase, energía y dirección similares a las del fotón externo que les dio origen. La emisión estimulada descrita es la raíz de muchas de las características de la luz láser. No sólo produce luz coherente y monocroma, sino que también amplifica la emisión de luz, ya que por cada fotón que incide sobre un átomo excitado se genera otro fotón.

La absorción consiste en incorporar un fotón. El sistema atómico se excita a un estado de energía más alto, pasando un electrón al estado metaestable. Este fenómeno compite con el de la emisión estimulada de radiación.

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Corte de 15 mm con un haz abrasivo de alta presión. Es una imagen del pasado, superada por el láser ultracorto.

Todo láser se fundamenta en la amplificación óptica y la retroalimentación. Eso hizo Theodore Maiman: demostró que una varilla de rubí excitado, colocada en una cavidad, para que hubiera retroalimentación óptica, producía un haz intenso de luz láser. La cavidad no es más que el espacio entre dos espejos. La varilla hace de medio de ganancia, o amplificador óptico. La luz que rebota atrás y adelante en la cavidad, va ganando en intensidad. Uno de los espejos es parcialmente transmisor, y deja que una porción de la luz escape, y forme el haz de luz habitual.

La cavidad sólo tolera luz de ciertas longitudes de onda, o modos, las que quepan, un número entero de veces entre los espejos. Un láser de onda contínua emite un haz de luz, cuyo color corresponde a la frecuencia de uno de esos modos. En cambio un impulso corto de láser debe contener un gran conjunto de frecuencias. El espectro asociado a un pulso de luz de 10 femtosegundos, abarca unos 100 nanómetros. En cambio el haz rojo de un láser de diodo de onda continua, por el contrario, tiene una anchura de banda inferior a un nanómetro. Para que se genere un pulso ultracorto, esos miles de modos deben estar en fase. Cuando el láser funciona con los modos trabados toda la luz de la cavidad óptica queda encerrada en un pulso ultracorto individual, que circula entre los espejos. El láser emite una serie periódica de pulsos de luz, a través de su espejo parcialmente transmisor.

La luz láser es coherente, se rige por el principio de la coherencia

Se dice que dos puntos de una onda son coherentes, cuando guardan una relación de fase constante, es decir, cuando conocido el valor instantáneo del campo eléctrico en uno de los puntos, es posible predecir el del otro. Existen dos manifestaciones claramente diferenciadas de coherencia: la temporal y la espacial.

Un componente importante es el resonador óptico: dos espejos que logran la amplificación, y a su vez crean la luz láser. Hay dos tipos de resonadores: el estable, que emite un único haz láser, y el resonador inestable, que emite varios haces.

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  Láser de 100 femtosegundos, de Texas Petawatt Laser, EE UU. La compresión de pulsos aporta gran complejidad.

Estrechar el pulso al máximo

Es lo mejor para lograr una herramienta muy potente, nunca vista. Un segundo es una duración que comprendemos sin problemas, es el tiempo que transcurre entre dos latidos del corazón. Pero un picosegundo es el tiempo que emplean las moléculas en moverse atrás y adelante. El femtosegundo es un concepto más difícil todavía: es la escala de tiempo característica, que emplean muchas reacciones químicas; o el tiempo que emplean los enlaces de átomos y moléculas, para romperse y formarse. El límite actual lo encontramos en el pulso de attosegundo (10-18 segundos).

Aunque la potencia del láser sea modesta, y la energía total contenida en el impulso sea pequeña, la brevísima duración del pulso hace que el pico instantáneo de potencia resulte muy grande. En un sistema normal energético los pulsos son 100.000 más largos que en el láser ultracorto. Por tanto, en el láser el pico de potencia es 100.000 veces la potencia media del láser, equivale a una potencia del orden de megawatios. Antes cuando la anchura del pulso se medía en nanómetros (10-9 m), el láser calentaba el material de mecanizado y su substrato, pero al estrecharse el pulso a pico y femtosegundos la situación ha cambiado totalmente, el láser corta, pero no calienta, arranca iones de la superficie sin darles tiempo, para transferir su energía al sustrato inferior. Es la ablación de material es fría.

Con una luz de tal potencia, enfocada sobre una pieza de acero, vidrio, o cerámica, se produce la ablación del material. El pulso ultra corto, 200 femtosegundos (200·10-15\1s\2 sirve para la micromecanización: fresa, taladro, corte y soldadura microscópicos.

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  Láser de Titanio-Zafiro, de la Universidad de Michigan, EE UU con pulsos de terawatt, de 30 femtosegundos.

El pulso transfiere la energía al punto de enfoque con tal celeridad, que el calor no llega a difundirse hacia el entorno, no lo irradia. Así se garantiza un acabado superficial regular y preciso. Las posibilidades de esta técnica se ponen de manifiesto en la micromecanización de materiales frágiles, como el diamante, carburo de titanio y el esmalte dentario. Si al cortar penetra el calor, unas zonas se dilatarían y otras no, la grieta sería inevitable. Sorprende que el láser ultracorto puede cortar sin riesgo explosivos: vaporizan lo que hay en el punto de corte, sin detonar la carga adyacente. El láser es indispensable en cirugía de precisión: por ejemplo, hay intrusiones óseas en la médula espinal, quitar el hueso, sin dañar el tejido nervioso adyacente. Aplanar la córnea para corregir la miopía, etc. Quedan muy atrás los nanosegundos (10-9 segundos).

Excitación multifotónica

De ordinario una molécula absorbe un sólo cuanto de luz, un fotón, y a continuación emite otro. Emplear una luz de mayor longitud de onda ofrece muchas ventajas, pero la energía de esos fotones es menor, y han de actuar sincronizados dos o más para excitar cada molécula. Esa excitación multifotónica únicamente adquiere interés a intensidades de luz muy grandes. Los pulsos ultracortos ofrecen las intensidades requeridas, y al mismo tiempo transfieren una potencia media lo bastante baja como para no dañar el sustrato.

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Cortes limpios con láser excímero sobre un cabello, sin daño térmico, 2 perforaciones de 50 micras. Diámetro del cabello 125 micras.

En la industria los láseres de pulsos ultracortos muestran todo su valor en la fabricación de microchips, controlan el espesor del metal y de las capas de semiconductor sin interrumpir la producción. Antes los láseres de femtosegundos eran voluminosos y poco fiables, pero hoy son compactos que no fallan, y pueden integrarse como un componente interno más en un equipo portátil.

En el futuro, será posible utilizar la óptica no lineal, para ir más allá del pulso de attosegundo, para estudiar los procesos atómicos.

El láser excímero arrincona al de CO2, el clásico de corte y soldadura

Desde 1964 el láser de dióxido de carbono, en modo contínuo, de gran poder y relativamente económico, ha prestado un gran servicio a la industria. Muy eficaz, porque la relación potencia de bombeo (el poder de excitación) respecto de la potencia de salida es del 20%. Emite en el infrarrojo, entre 9,4 y 10,6 micras. Pero no puede cortar ni soldar en frio.

El láser excímero sí que mecaniza en frío metales con pulsos de picosegundos (10-12 m), y anchura de pulso de 193 nm. Es un láser ultravioleta. Su nombre inglés excimer nos recuerda que es un dímero excitado. Un dímero es una entidad formada por dos subunidades con estructura similar, llamadas monómeros. El excímero utiliza una combinación de gas inerte, noble (argón, criptón o xenón) con un gas reactivo. En condiciones apropiadas de estimulación eléctrica se crea una pseudomolécula, la cual solamente existe en estado excitado, y origina luz láser ultravioleta. El gas noble, la palabra lo dice, no suele formar compuestos químicos.En estado excitado forma moléculas temporalmente enlazadas consigo mismas (dímeros), o con átomos de halógenos, como el flúor o el cloro (ArF y XeCl), formando complejos excitados, con inversión de la población entre los dos estados. Estos complejos liberan su energía en forma de luz láser, la molécula retorna a su estado fundamental en el orden de picosegundos, y se disocia en dos átomos no enlazados.

La aplicación industrial más conocida es la fabricación de dispositivos microelectrónicos, semiconductores (chips), con una producción anual de 400.000 millones de dólares. Otra aplicación importante es la cirugía del ojo, con cortes limpios y precisos. En dermatología la cirugia LASIK (XeCl 308 nm).

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  A la izquierda perforación fría del acero, corte nítido, con pulsos potentes de 200 femtosegundos. A la derecha, pulsos a media potencia, y 16 veces más prolongados, con daño térmico, que funden el acero del entorno.

El láser de titanio dopado con zafiro (Ti:Al2O3)

Con pulsos potentes de unos pocos femtosegundos, y pronto se lograrán los pulsos de attosegundos (10-18 m), en el mecanizado frio logra trabajos de alta precisión y grabado excelente de palabras e iconos. Puede funcionar con una frecuencia muy estrecha, o con una anchura de varios centenares de nanómetros, pero el pulso llega a tener tan sólo 5,5 femtosegundos. Su potencia promedio es de centenares de miliwatios, pero con potencia pico enorme. Es lamentable que el láser titanio-zafiro necesite un bombeo de luz, procedente de un láser verde, lo cual aumenta la complejidad y el coste.

En la frecuencia de rayos X puede llegar a pulsos de attosegundo, pero de momento la ineficacia es alta, estamos en los comienzos.

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  El láser clásico de CO2, muy eficaz, económico, pero con daño térmico.

Los próximos 50 años del láser

Predecir el futuro no es fácil, nos hemos equivocado muchas veces. La investigación más importante es National Ignition Facility, 192 lásers enfocados sobre el gas hidrógeno, para producir una energía inagotable, crear helio. El Sol lo consigue; ¿por qué no podemos nosotros lograr lo mismo? No entremos en las aplicaciones militares: el sable láser, en vez del de acero inoxidable. El avión militar ya lo emplea.

El láser civil será cada vez más compacto, más portátil, más eficiente y más económico en inversión y mantenimiento. Sus aplicaciones aumentarán al mismo ritmo. Aumentará la potencia del pulso, y su capacidad para integrarse con otros componentes. Existe la Ley de Moore: cada dos años se duplica el número de transistores en un circuito integrado. Eso significa que el láser avanzará al extremo ultravioleta, 13,5 nm para el micromecanizado de semiconductores. La luz, en contra de la corriente eléctrica, no produce calor.

Referencias

Cavalieri, A. Beyond ultrafast. Physics World, May 2010.

Deile, J. Laser technology: The next 50 years. Photonics Spectra, July 2010.

Hecht, J. Ultrafast lasers make ultraprecise tools. Laser Focus World, March 2012.

Hopkins, J. Láser de pulsos ultracortos. Investigación y Ciencia. Noviembre 2000.

Rebhan. U. Micromanufacturing benefits from excimer-laser development. Laser Focus World, November 1994.

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