Fundamentos

Definición del térmico LASER
La palabra LASER (láser) es un acrónimo o sigla que representa el siguiente conjunto de palabras en el idioma inglés: Light Amplification by the Stimulated Emision of Radiation. Es decir la amplificación de luz a través de la emisión estimulada de radiación.  Hace más de 100 años el escritor inglés H.G. Wells describió en su libro "Guerra de los Mundos"  la posibilidad de que nuestro planeta fuera invadido por seres extraterrestres quienes usarían como arma un "haz de calor letal". A comienzos del siglo XX, hubo mucho interés de parte de los cientificos de esa época en obtener una manera de amplificar ondas lumínicas. Se sabía que era necesario de un resonador óptico, o cavidad donde la luz pudiera reflejarse infinitas veces sin salir de esta. En 1915 Einstein demostró la factibilidad del proceso de emisión estimulada de radiación electromagnética por parte de la materia. Pero no fue sino que en 1960 el físico estadounidense Theodore Maiman en los laboratorios Hughes logró amplificar ondas lumínicas en el espectro visible empleando los conceptos que Einstein había propuesto mas de 50 años atrás.  Maiman empleó un cristal de óxido de aluminio dopado con átomos de Cr (lo que se conoce como rubí). La II Guerra Mundial provocó el retraso en el desarrollo del láser, no obstante a fines de la decada de los 1930, el físico Ruso Victor Fabrikant estuvo muy cerca de obtener emisión estimulada, su problema fue creer que la emisión estimulada tomaría lugar en la misma frecuencia que la fuente de excitación y por lo tanto estaba midiendo la amplificación en el espectro equivocado. Si el descubrimiento de láser hubiese tomado lugar 30 años antes, nuestra historia sin duda hoy sería otra. Parafraseando a William Steen, cabe destacar que cada vez que el hombre logra manipular una nueva fuente de energía, la humanidad alcanza nuevos e insospechados niveles de avance tecnológico y confort. Hoy sin duda el láser juega un papel importantísimo en las comunicaciones, salud, entretenimiento y de igual manera en los procesos de manufactura y productos que adquirimos. 

Propiedades de la luz

• Longitud de onda y frecuencia

  La luz es un fenómeno electromagnético, y por lo tanto ondulatorio, son ondas que viajan a una cierta velocidad constante en el espacio, la cual viene dada por el producto de dos magnitudes que caracterizan a toda onda: frecuencia de vibración (nu) y longitud de onda (lambda). Así nu x lambda = c = 3x10^8 m/s.
• Polarización
  

  Cuando un flujo de electrones (corriente eléctrica) se desplaza en una trayectoria circular (por ejemplo una bobina de alambre de cobre) surge de manera espontánea una fuerza magnética que es perpendicular a las espiras de la bobina. Esta fuerza se observa al introducir un magneto en el interior de la bobina, el cual será expulsado o atraído según la orientación del magneto y el sentido de flujo de la corriente en el alambre de la bobina. Es decir la corriente eléctrica ha producido un campo magnético y ambos son perpendiculares. De igual manera un campo magnético pude inducir una corriente eléctrica. Este fenómeno físico está descrito por las leyes de Maxwell.

  Podemos entonces señalar  que una onda electromagnética, fotón de luz, está compuesta por una componente eléctrica y una componente magnética. La componente eléctrica proviene de un campo eléctrico y la componente magnetica de un campo magnético, ambos son perpendiculares entre si y coexisten mutuamente. La amplitud de estos campos cambia de forma cíclica en el tiempo, según la frecuencia de la onda, pero también puede cambiar según la posición en el espacio. El cambio de la amplitud en el espacio puede ser aleatoreo, lineal, elíptico o circular. Este cambio define el tipo de polarización de la luz. La reflexión y absorción de un fotón por un medio sólido está fuertemente influenciada por el tipo de polarización.
• Energía y momentum
  Cada onda de luz corresponde a un paquete de energía llamado cuanto de luz o fotón, la energia del fotón esta cuantificada por E= h x nu, donde h es una constante descubierta por Planck y nu es la frecuencia de vibración del fotón en Hertz, frecuencia que determina el color del fotón o de la luz.
  De igual manera la cantidad de movimiento del cuanto de luz está dado por la constante de Planck dividida por la longitud de onda en metros :  p = h / lambda
  La constante de Planck toma como valor h = 6,662x10^-34 joule x segundo

 Funcionamiento del láser

• Absorción de radiación 

Todo material: sólido, líquido o gas, puede absorver energía, en particular energía electromagnética o fotones, los que pueden ser absorvidos por el material si la frecuencia de estos se encuentra dentro del espectro de absorción del material. Los materiales tambien pueden absorber energía por intercambio de cantidad de movimiento (colisiones con otras partículas) . Cuando un material absorbe energía, este de dice estar excitado, y adquiere un nivel o estado de menor equilibrio o de energía menos negativa, el cual está alejado de su nivel fundamental o de energía más negativa (estado de menor energía).

• Emisión espontánea 

Cuando un material se encuentra excitado, este mitirá energía de manera de retornar a su estado fundamental. Este proceso tardará un cierto intervalo de tiempo el cual es aleatoreo, pero tiende a ser mas corta a medida que la excitación es mayor. La energía puede ser emitida de diferentes maneras: energía electromagnética (fotones), energía de vibración (fonones), conducción térmica.

• Emision estimulada

 El tiempo de emisión de la energía de excitación puede ser aun mas corto si la material es estimulada. Esto se logra al aplicar sobre el material excitado un campo electromagnético (fotón) con la misma frecuencia correspondiente la energía que el material emitiria  luego de su excitación. De esta manera el fotón del campo externo tendrá la misma frecuencia del fotón emitido, pero adicionalmente ambos poseerán la misma fase espacial o coherencia.

• Bombeo energético 

Los materiales pueden ser excitados mediante distintos mecanismo dependiendo en el estado en que se encuentran. Un gas puede ser excitado fácilmente a través de una descarga eléctrica. Un sólido transparente puede ser excitado a través de un haz de luz. Un líquido también puede ser excitado a través de una haz de luz como de una variación brusca de presión y temperatura. En sintesis el bombeo energético excita al material y lo lleva a un nivel de energía más alto que su nivel fundamental, es decir un nivel de energía menos negativa.

• Inversión de Población 

La material tiende a su estado fundamental de menor energía, por lo tanto la población de átomos y moléculas en los sólidos, liquidos y gases, tiende a ubicarse predominantemente en los niveles de energía más negativa, con algunas moléculas y átomos en estados excitados.  Cuando el material es bombeado con energía externa, la población natural se invierte, y los niveles de mayor energía se pueblan dejando vacíos los de energía más negativa.

• Amplificación 

La amplificación de energía electromagnética luego es posible empleando un material, o medio activo, el cual es bombeado energéticamente, es decir el cual se encuentra bajo una inversión de población. Además, el material debe estar confinado dentro de un resonador óptico, esto es una cavidad especular de la cual los fotones no pueden escapar. La excitación del material debe ser la adecuada de manera que la emisión espóntanea sea tal que el fotón emitido produza la emisión estimulada del resto de las moléculas que se encuentra en los niveles más altos y asi se produzca una avalancha de fotones, todos con la misma frecuencia y la mismo fase espacial (coherencia). La magnitud de la amplificación dependerá de la diferencia entre el número de moléculas que se encuentra en el estado excitado y el fundamental.

Tipos de láser

• Láser de CO2

El medio activo en este caso es una mezcla de CO2, N2 y He a baja presión, este es excitado por una descarga eléctrica de alto voltaje y bajo amperate, también puede ser excitado mediante radio frecuencias. La descarga eléctrica excita las moleculas de N2 las que por colisión excitan a las de CO2. Estas luego emiten fotones en el espectro infrarojo mediante emisión estimulada. El He cumple el rol de llevar a las moléculas de CO2 a su estado fundamental, logrando así que la inversión de población se máxima. Los láseres de CO2 se pueden clasificar según: tipo de flujo axial lento o rápido, tipo de excitación axial o transversal. Los láseres de flujo axial lento producen una potencia óptica cercana a los 100 watts por metro de resonador óptico, mientras que los de flujo axial rápido producen un potencia de 600 watts por metro de medio activo. Los láseres excitados transversalmente o TEA operan a presiones de mezcla de gas cercanas a la atmosférica. La longitud de onda de este tipo de láser está centrada en los 10.6 micras.

• Láser de Nd:YAG

El medio activo consiste en un crystal o granate de ytrio y óxido de aluminio el cual está dopado con iones de neodimio Nd+. Este láser es excitado a través de descargas luminosas provenientes de una lámpara de xenón o criptón. El YAG posee una baja dilatación térmica y es resistente a choques térmicos producto del súbito enfriamiento del cristal. Algunos láseres de neodimio usan como matriz el vidrio Nd:glass, pero estos no pueden operar de manera continua ya que la matriz se fractura con facilidad. Los iones de Nd son lo que realizan la emisión estimulada de los fotones en este láser. La longitud de onda de los fotones emitidos son de 1.06 micras y por lo general opera en modo pulsado de alta frecuencia.

• Láser de Diodos

El medio activo en este tipo de láser corresponde a una unión del tipo n-p, es decir entre materiales semiconductores dopados para ser donantes (tipo n) y capturadores (tipo p) de electrones. La excitación ocurre mediante la apliación de un voltaje externo entre la unión n-p, el cual hace que los electrones libres aumenten su energía, la cual luego es emitida como un fotón de luz. La coherencia espacial de los fotones ese baja producto de la geometría del resonador. Estos láseres son conocidos como punteros y en lectores de CD y DVD con potencia de salida del orden de los 5 mW. No obstante la masificación ha permitido que el tamaño de la unión semiconductora n-p aumente, aumentando así la potencia de salida. Esta pueden hoy alcanzar varios kW al ubicar varias de estas unidades en paralelo.

• Laser de Fibra

 El medio activo corresponde a un crystal del tipo Nd:YAG el cual es transformado en una delgada fibra. Esto permite aumentar el area superficial y facilitar el enfriamiento de este y a su vez el largo de medio activo aumenta considerablemente. Estos láseres son bombeados empleando por lo general láser de diodo justo al extremo posterior de la fibra.

Procesos de separación

• Corte láser 

El proceso de corte en este caso tomar lugar producto de la vaporización y/o derretimiento del material que entra en contacto con el haz láser cuando este se encuentra concentrado o focalizado dentro de un área de radio 0.1 mm. En este caso la densidad de potencia puede alcanzar fácilmente 10^6 W/m^2. El láser de CO2 es tal vez el mas usado en procesos de corte, no obstante su longitud de onda de 10.6 micras (infrarrojo cercano) tiende a ser reflejado por la superficie de los metales producto de los electrones libres en este tipo de material. Por lo tanto para que la energía de láser ingrese en el material, se debe generar primero una fina capa de líquido en la superficie para que el haz se acople completamente. Una vez que el laser es capaz de vaporizar o derretir todo el espesor del material, luego el movimiento relativo del haz sobre la pieza establece un frente de corte. Por lo general se aplica un gas de aporte para remover el vapor o fundido de la zona de corte y en algunos casos se emplea aire o oxigeno para aumentar el calor generado en el frente de corte y asi aumentar la velocidad del proceso.

Procesos de unión

• Soldadura láser

Procesos de adición

• Sinterizado láser
• Recubrimientos láser 
• Plaqueado láser
• Aleado láser