El láser de fibra: corta, suelda, marca y perfora el acero inoxidable con una precisión nunca vista

Einstein demostró en 1917 que si un fotón choca contra un átomo excitado se produce una emisión estimulada que se caracteriza porque el fotón emitido tiene la misma dirección que el incidente y que su fase es la misma que la de la onda asociada al fotón incidente. El láser es un dispositivo en el que se logra intensificar un haz luminoso mediante la emisión estimulada de emisión. La palabra láser se ha formado tomando las iniciales de la frase inglesa ‘Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation’. Desde el punto de vista óptico, la luz del láser tiene las características de muy alta intensidad, muy monocromática, perfectamente colimada y altamente coherente. La coherencia consiste en que todas las ondas están en fase respecto al tiempo y al espacio, por eso la luz del láser produce todos los fenómenos de interferencia.

Para conseguir una intensificación efectiva es necesario lograr un gran número de átomos en estado excitado. Esto se consigue colocando en los extremos de la cavidad del láser dos espejos, de modo que los fotones van y vienen muchas veces, logra mantener excitados cada vez más átomos en cada viaje.Esto es lo que se conoce como bombeo óptico.

El láser de fibra mecanizando una pieza de automóvil.

Si en el estado inicial hay un gran número de átomos en estado normal y pocos átomos en el estado excitado, gracias al bombeo óptico se consigue invertir las poblaciones, y que haya emisión láser. Existen láseres de estado sólido, la barra de rubí, que emiten luz roja. Hay láseres de gas, de helio neon en que la luz es roja, de Gas argón con varias líneas espectrales. Finalmente el láser de CO₂ con emisión en el rojo e infrarrojo. Modulando el haz luminoso con espejos y obturadores optoelectrónicos pueden dibujarse figuras.

Substituir la barra de rubí por un haz de fibras paralelas ha sido un éxito. Los fotones siguen la misma dirección excitando más y más átomos aumentando la intensidad luminosa y la potencia. La fibra tiene un centro hueco y no puede ensanchar el campo óptico, el haz sigue siendo muy estrecho, fácil de amplificar. Las aplicaciones han ido aumentando en el campo de metal mecánica, ejército, industria. La evolución continúa. IPG Photonics Corporation ha ganado un premio en 2015 en fibra óptica con un láser de fibra de 500 Watios, casi de onda contínua, verde, láser de fibra unimodo, excelente para soldar cobre y en la manufactura de células fotovoltaicas. El láser irradia por impulsos de 100 W láser verde, pero se ha ampliado la repetición de impulsos, y la potencia se ha multiplicado por 5. Onda corta con una potencia superior a la normal.

El láser cuenta con miles de horas de funcionamiento y ha mostrado que es robusto y con potencias cada año más altas.

Esquema de la cámara de espejos del láser. La barra de rubí ha sido substituida por un haz de fibras recubiertas de Iterbio.

La investigación continúa: en el Max Planck Institute for the science of light, en Erlangen, Alemania, experimentan con una fibra de centro hueco y han logrado que la luz retroceda hacia los espejos del láser. Es una maniobra difícil pero es una realidad, y la potencia aumenta. Hay fundadas esperanzas de producir un láser de ultravioleta. Otro aspecto es la formación de técnicos de láser para la industria. El mercado de la fibra óptica está creciendo y llegará a los 3 mil millones en 2019. William Wheeling patentó en el siglo pasado la luz transmitida por fibras y, hasta mediados del siglo XX, la luz siguió la forma actual moderna. Desde la 1º generación de sistemas el público ha aprendido la óptica de fibras, con perjuicio del teléfono. En 2015 IPG Photonics ganó el Prism Award por la innovación en láseres industriales. Son láseres de 500 Watios, luz verde, con láser de fibra monomodo, con pulsos de poca duración y aumento de potencia.

El láser de fibra soldando chapa.

Es un polímero convertido en fibra. En la mayoría de los casos las FC son carbón no grafítico.El término fibra de grafito solo está justificado en el láser cuando las FC han sido sometidas a un proceso térmico de grafiticación (2.000-3.000 °C) que les confiere un orden cristalino tridimensional, observable mediante rayos X. A nivel atómico no podemos comprender las diferencias entre la fibra de carbono y el grafito, pero la estructura es diferente. El grafito tiene una estructura plana con enlaces triplex y queda un electrón libre. Este electrón libre explica que el grafito es una de las pocas estructuras no metálicas que conducen la electricidad. La fibra de carbono también es conductora. La FC está compuesta por muchos hilos de carbono en forma de hebra, recubiertos de Iterbio.

Es un caso común de metonimia.El nombre de las FC refuerza la matriz de resina. El grafito, la mina de lápiz, es blando y frágil. Es un alótropo del carbono. La resistencia es casi 3 veces superior a la del acero y su densidad 4,5 veces menor.

La fibra tiene un núcleo central hueco.

Cuando se trata de cortar, soldar, suprimir la manufactura, la vista se vuelve hacia el láser. El láser de fibra tiene mayor potencia hace cortes con gran precisión y con nuevas longitudes de onda. En 2015 el 75% de los láseres vendidos eran de fibra. Hace 5 años los láseres conocidos eran los de CO₂, con unos costes de mantenimiento altos y menor precisión. Los láseres de fibra de Iterbio utilizan una longitud de onda de 1.070 nm, la 10 parte de la onda de láser CO₂, y corta más aprisa. Especialmente útil cuando hay que mecanizar los bordes de la pieza. Los láseres de Mazak, Japón, tienen una potencia de 6 kW. Los láseres de CO₂ sirven bien para perforar agujeros en la industria de la alimentación. Para el metal la onda de 1.000 nm es satisfactoria. El cobre es muy reflectante a 1.000 nm.Trium ha doblado la frecuencia para soldar cobre.

Los láseres de fibra han reemplazado a los de CO₂, son estables y de fácil mantenimiento. La evolución es hacia el diodo directo. En los últimos 7 u 8 años los costes han disminuido a un tercio. En comparación con el mecanizado tradicional, el láser resalta por su precisión de corte y mayor rapidez. Las aleaciones de níquel-cobalto se cortan con dificultad. Para cortar placas gruesas el láser CO₂ sigue siendo útil.

El láser de fibra concentra su potencia sobre una superficie de unos milímetros cuadrados.

Finalmente los láseres ultrarrápidos, que actúan en femtosegundos y picosegundos a escala microscópica. Como la anchura del pulso es tan corta la zona afectada por el calor es pequeña, y favorece el procesado con láser. Los láseres ultra rápidos se usan para practicar orificios de diferentes formas en el inyector de combustible, con mejora de la combustión. Los médicos introducen receptores en el cuerpo. Son biopolímeros compatibles cuya manufactura no se basa en láseres ultrarrápídos.

Una nueva tendencia es el desarrollo de nuevas longitudes de onda, por ejemplo un láser de CO₂, que produce una longitud de onda de 5 micras. Es la mitad de la onda del láser CO₂, se puede enfocar a la mitad, y aumenta la potencia en 5 veces. Las películas de polietileno con onda de 5 micras funcionan bien, se pueden cortar con precisión y el calor casi no afecta a la zona. Una tobera de inyección de gasolina perforada con un láser coherente Mónaco tiene un espesor de 250 micras de acero.

La mecanización con láser no reemplaza los métodos tradicionales. Se pueden usar los láseres para cortar, pero subsisten los métodos tradicionales. Mazak Optonics tiene potencias de 6 kW, útil para cortar placas gruesas. Las nuevas longitudes de onda son necesarias, porque no todos los materiales reaccionan igual. En envases plásticos de alimentación los orificios del láser CO₂ son prácticos. Cuando se trata de metales la onda de 1.000 nm funciona bien. La disminución de costes asegura el futuro del láser de fibra.