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Oct 11, 2023

Una cartilla sobre sólidos

El primer láser jamás construido fue un láser de rubí de estado sólido construido por Theodore

El primer láser jamás construido fue un láser de rubí de estado sólido construido por Theodore Maiman en 1960. Pero los láseres de estado sólido no son una curiosidad histórica. Más bien, la tecnología ha crecido y se ha diversificado a lo largo de los años, sirviendo a una gran variedad de aplicaciones científicas, industriales, aeroespaciales, de defensa, médicas y de ciencias de la vida.

Los láseres se clasifican en términos generales según el estado de la materia de su material láser (medio de ganancia): láseres de gas, líquidos, de estado sólido e incluso de plasma. Pero es una práctica común usar el término estado sólido para referirse solo a los láseres que usan un medio de ganancia de cristal o vidrio. Este material huésped generalmente está dopado con iones para apoyar la población y, por lo tanto, la acción del láser.

El bombeo es el proceso de suministro de energía bruta al cristal láser, que luego se convierte en luz láser. El cristal no es conductor, por lo que la energía de bombeo prácticamente siempre se suministra a los medios de ganancia de estado sólido en forma de luz, en lugar de electricidad. Los primeros láseres de estado sólido fueron bombeados por lámparas de destellos. Esa situación cambió drásticamente con la introducción del bombeo con láser de diodo en la década de 1980.

Los láseres de diodo proporcionan una fuente intensa de luz y la longitud de onda se puede adaptar a la absorción del medio de ganancia. Esto da como resultado un láser muy eficiente donde una cantidad relativamente grande de la energía suministrada originalmente al láser (específicamente la electricidad utilizada para alimentar los diodos) termina convertida en luz láser. Además, el bombeo de diodos ofrece una gran confiabilidad y ventajas de por vida, un espacio (tamaño) pequeño y consistencia operativa.

Sin embargo, el bombeo de lámpara todavía se usa con ciertos cristales láser de estado sólido. Esto se debe a que los láseres de estado sólido bombeados por lámparas pueden producir pulsos de energía muy altos. Además, el precio de compra típico y el costo por vatio de la potencia de la bomba de la lámpara son mucho más bajos que los de los diodos.

Los resonadores láser de estado sólido se configuran en su mayoría de la manera tradicional. Es decir, el material de ganancia se coloca entre dos espejos para formar una cavidad óptica. A veces, los extremos del cristal láser se recubren para convertirse en espejos. El cristal láser en sí puede tener forma de barra, placa o disco delgado.

Debido a la gran cantidad de cristales diferentes disponibles, actualmente se utilizan muchos tipos diferentes de láseres de estado sólido. No es posible describirlos todos aquí, e incluso categorizarlos es difícil, ya que los láseres de estado sólido existentes cubren un espacio extremadamente amplio de características de salida. Pero, para los propósitos de esta discusión, es útil dividirlos en tres categorías amplias: onda continua (CW) y ancho de pulso de nanosegundos, pulso ultracorto y láseres ultrarrápidos.

Los láseres de estado sólido más comunes de esta categoría se basan en cristales de neodimio, generalmente dopados con granate de itrio y aluminio (Nd:YAG), ortovanadato de itrio (Nd:YVO4) o fluoruro de itrio y litio (Nd:YLF). La salida fundamental de láser más fuerte para todos estos cristales está en el infrarrojo a alrededor de 1 μm.

Todos estos cristales están en uso porque cada uno produce características operativas algo diferentes. Por ejemplo, Nd:YVO4 es más adecuado para láseres pulsados ​​de alta potencia máxima y alta tasa de repetición. Por el contrario, Nd:YAG normalmente proporciona una energía de pulso total más alta a tasas de repetición más bajas. Nd:YLF proporciona energías de pulso aún más altas, generalmente a tasas de repetición aún más bajas.

También hay varios cristales láser que utilizan dopantes de holmio, tulio, iterbio o erbio en lugar de Nd. Los cristales Er:YAG, Tm:YAG, Ho:YAG emiten láser alrededor de 2 μm. Esta longitud de onda es fuertemente absorbida por el tejido vivo que contiene agua, lo que hace que estos tipos de láser sean útiles para una variedad de aplicaciones médicas.

La mayoría de estos cristales pueden funcionar en onda continua (CW). Sin embargo, la mayoría de los láseres de procesamiento de materiales y otros láseres industriales de estado sólido funcionan con pulsos. La pulsación aumenta la potencia máxima, que es fundamental para superar el umbral de ablación (potencia mínima necesaria para derretirse o vaporizarse) para muchos materiales, especialmente metales, o para producir un cambio de color en la superficie para marcar.

El método de pulsación más utilizado es la conmutación q, que normalmente se implementa mediante un deflector acústico-óptico que actúa como un obturador rápido dentro del resonador láser. Primero, el interruptor q está cerrado, lo que evita que la luz circule dentro de la cavidad del láser. Durante este tiempo, la energía de bombeo suministrada al cristal láser se acumula en él. Entonces el q-switch se abre rápidamente. Esto permite que el láser funcione. La energía almacenada se convierte rápidamente en luz láser y se emite en forma de un pulso corto. Este proceso se repite rápidamente.

La mayoría de los láseres de estado sólido de conmutación Q comúnmente utilizados producen anchos de pulso en el rango de decenas de nanosegundos. Por lo general, ofrecen potencias promedio de decenas o cientos de vatios (en el infrarrojo) y tasas de repetición en los 10 de Hz a aproximadamente 300 kHz.

La alta potencia máxima que se logra con la pulsación también facilita el uso de procesos no lineales. Uno de los principales es la conversión de frecuencia que utiliza un cristal para generar armónicos de la frecuencia de luz inicial. Por lo tanto, los láseres de estado sólido pulsados ​​que producen 1064 nm pueden multiplicarse en frecuencia para producir 532 nm (generación de segundo armónico o SHG), 355 nm (generación de tercer armónico o THG) o incluso 266 nm (generación de cuarto armónico o FHG). La conversión de frecuencia no es imposible con los láseres CW, pero no es tan simple de implementar.

Otra forma de pulsar un láser de estado sólido es el bloqueo de modo. Esto produce tasas de repetición de muchas decenas o cientos de MHz. Entonces, para muchas aplicaciones, el láser simplemente parece estar encendido continuamente. Como resultado, estas fuentes a menudo se denominan cuasi-CW o QCW. Pero, de nuevo, la pulsación aumenta la potencia máxima, lo que a su vez permite la conversión de frecuencia, proporcionando así una forma relativamente sencilla de obtener fuentes de láser de estado sólido de longitud de onda más corta que son prácticamente CW. La inspección de obleas de semiconductores es una aplicación importante para este tipo de láseres.

Si bien los láseres de estado sólido de ancho de pulso de nanosegundos se utilizan ampliamente en el procesamiento de materiales, los pulsos en el régimen de picosegundos y femtosegundos pueden ofrecer ventajas significativas para las tareas de procesamiento de precisión más exigentes. Estos beneficios incluyen la capacidad de producir estructuras muy pequeñas sin prácticamente ninguna zona afectada por el calor, así como la compatibilidad con una gama extremadamente amplia de materiales, incluso aquellos que son transparentes, como el vidrio.

El bloqueo de modo se puede utilizar para producir anchos de pulso de alrededor de 10 ps o menos. Sin embargo, la mayoría de los láseres de modo bloqueado tienen energías de pulso que son demasiado bajas para los usos de procesamiento de materiales. Sin embargo, esta energía de pulso se puede aumentar a través de la amplificación.

Este proceso generalmente comienza con un "selector de pulsos" para seleccionar pulsos individuales de la salida láser bloqueada del modo de alta frecuencia de repetición (por ejemplo, cada décimo pulso). Estos pulsos se envían a un amplificador de espacio libre, más comúnmente en una configuración regenerativa o multipaso. Se puede utilizar más de una etapa de amplificación para alcanzar una potencia aún mayor.

Si bien este enfoque puede sonar complejo, los láseres industriales comerciales de pulso ultracorto (USP) son extremadamente confiables, gracias al bombeo de diodos, el cuidadoso diseño optomecánico y los rigurosos protocolos de ensamblaje. Los láseres USP comerciales de picosegundos suelen ofrecer anchos de pulso inferiores a 15 ps y una potencia de hasta 100 W en el infrarrojo. Tanto la salida verde como la UV también están disponibles. También hay láseres USP que tienen anchos de pulso de cientos de femtosegundos y una salida de decenas de vatios, también en IR, visible y UV. Los láseres USP comerciales se utilizan en muchas aplicaciones de corte y perforación de microelectrónica de precisión, para cortar módulos y pantallas OLED, en la fabricación de dispositivos médicos e incluso en la relojería.

Los láseres de estado sólido con bloqueo de modo para aplicaciones científicas suelen denominarse láseres ultrarrápidos. Con anchos de pulso en el rango de 10 fs a 200 fs, estos láseres se han convertido en herramientas de trabajo para una amplia gama de investigaciones en física, química, biología y ciencia de los materiales. Los láseres ultrarrápidos se distinguen de los láseres USP industriales en que normalmente ofrecen anchos de pulso más cortos y mucho más control sobre los parámetros de salida, incluida la longitud de onda, el ancho de pulso y más.

La clave para lograr estos anchos de pulso extremadamente cortos es usar un cristal de ganancia que emita en un rango muy amplio de longitudes de onda. Cuanto más amplio sea el espectro de salida, más cortos pueden ser los pulsos. El material más popular actualmente en uso es Ti:Sapphire. Este material debe bombearse con luz verde, por lo que la fuente de bombeo suele ser un láser de estado sólido bombeado por diodos, de doble frecuencia, CW. Recientemente, el iterbio está demostrando ser una alternativa popular al Ti:Sapphire.

Si bien las fuentes de láser ultrarrápidas científicas más sofisticadas y de alto rendimiento son bastante complejas, estos productos son maduros y han aprovechado todas las ventajas de la tecnología de microprocesadores. Como resultado, son extremadamente confiables y la mayoría de los ajustes de salida se realizan a través del control del software. Esta operación llave en mano ha permitido a los científicos de muchas disciplinas utilizarlos como lo harían con cualquier otro instrumento, sin tener que desarrollar ninguna experiencia especial.

La tecnología de estado sólido ha estado literalmente con la industria del láser desde el primer día. Las innovaciones en curso que brindan un mayor rendimiento, así como una mayor confiabilidad y costos operativos más bajos, continúan manteniendo los láseres de estado sólido relevantes y rentables.

Este artículo fue escrito por Jörg Heller, gerente de línea de productos, Coherent, Inc. (Santa Clara, CA). Para mas informacion, visite aqui .

Este artículo apareció por primera vez en la edición de marzo de 2022 de la revista Photonics & Imaging Technology.

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