¿Qué es un Láser de Impulsos Ultracortos?
Los láseres de impulsos ultracortos son láseres con una anchura de pulso única (anchura de tiempo) de unos pocos picosegundos a unos pocos femtosegundos. Un picosegundo es una unidad de tiempo y equivale aproximadamente a la trillonésima parte de un segundo. El femtosegundo, por su parte, también es una unidad de tiempo y equivale aproximadamente a la milmillonésima parte de un segundo.
Se dice que la luz recorre aproximadamente 300 000 km por segundo. Sin embargo, la distancia recorrida por la luz en un picosegundo es de aproximadamente 0,3 mm, mientras que la distancia recorrida por la luz en un femtosegundo es de aproximadamente 0,3 um.
Esto indica que los láseres de impulsos ultracortos son láseres pulsados con una anchura de tiempo muy corta. Pulso es también un término general para una señal que experimenta un gran cambio en un corto periodo de tiempo.
Debido a su naturaleza de pulsación extremadamente corta, los láseres de impulsos ultracortos casi no tienen efectos térmicos alrededor del área de procesamiento del láser. Además, es posible un procesamiento láser de alta calidad para muchos materiales.
Usos de los Láseres de Impulsos Ultracortos
Los láseres de impulsos ultracortos tienen un pico de intensidad elevado y pueden producir una fuerte absorción incluso en materiales transparentes debido a la absorción no lineal asociada a la “ionización multifotónica” o “ionización túnel debida al fuerte campo eléctrico de la luz” en la que las moléculas absorben multifotones y provocan la ionización.
Al enfocar el haz láser de femtosegundos dentro del material transparente, es posible el procesamiento tridimensional del interior del material.
Se puede procesar una amplia gama de materiales, desde diamantes duros hasta vidrio de baja dureza, resinas blandas, compuestos, cuarzo y cerámica.
Como los láseres de impulsos ultracortos generan muy poco calor, no producen rebabas y pueden ajustarse en micras. Esto hace posibles procesos delicados como el taladrado, el recorte y el microtexturizado.
Además, los láseres pulsados de femtosegundos pueden aplicar procesos más precisos que los láseres pulsados de picosegundos.
Sin embargo, los láseres pulsados de nanosegundos están sujetos a una pequeña influencia térmica, que puede causar rebabas.
Principios de los Láseres de Impulsos Ultracortos
Existen dos tipos principales de métodos de oscilación láser: oscilación continua y oscilación pulsada. Los láseres con un mecanismo de oscilación continua se denominan láseres CW (Continuous Wave), en los que el láser oscila continuamente.
El otro se denomina láser pulsado, en el que el láser oscila de forma intermitente.
La oscilación pulsada también puede lograrse mediante modulación directa, modulación externa, conmutación Q o bloqueo de modo, y las anchuras de pulso generadas por cada uno de estos métodos difieren.
En los láseres de impulsos ultracortos, se utiliza generalmente el método de bloqueo de modo, que trata con anchuras de pulso de picosegundos y femtosegundos. Debido a la relación de transformada de Fourier entre tiempo y frecuencia, debe haber suficiente ensanchamiento espectral y una relación de fase constante entre ellos para generar pulsos ultracortos. El método de bloqueo de modo se utiliza como método óptimo para crear estas condiciones.
Métodos de Bloqueo de Modo
Existen dos tipos generales de métodos de bloqueo modal: el bloqueo modal forzado y el bloqueo modal pasivo (auto-bloqueo modal).
- Sincronización forzada
La sincronización forzada de modos es un método de sincronización de la fase entre modos que consiste en colocar un modulador de pérdida o de fase en la cavidad del láser y hacer coincidir la frecuencia de modulación con el intervalo vertical de modos.
- Sincronización de modo pasivo
En la sincronización de modo pasivo, se coloca un absorbedor saturable en la cavidad en lugar de un modulador. Esto hace que el borde de ataque del pulso sea eliminado por el absorbedor. Los pulsos ultracortos se obtienen cuando la saturación del medio láser elimina el borde de salida.
Precios de los Láseres de Impulsos Ultracortos
Los láseres de impulsos ultracortostienen anchuras de pulso inferiores a picosegundos, en el rango de los femtosegundos, y su construcción los convierte en un tipo de láser caro.
Existen varias longitudes de onda en función de la aplicación, desde el infrarrojo en la banda fundamental de 1 micra hasta el verde en la segunda onda y el ultravioleta en la tercera. También van desde los adecuados para microfabricación hasta los de investigación científica, y su precio suele rondar las decenas de millones de yenes.
Historia de los Láseres de Impulsos Ultracortos
En la década de 1960 se desarrollaron por primera vez láseres con oscilación pulsada, conocidos como láseres de rubí. En aquella época, los láseres de rubí se clasificaban como de oscilación normal y tenían una salida de impulsos corta. Sin embargo, desde que se desarrolló el método Q-switched, se ha convertido en un láser práctico y se sigue utilizando en la actualidad.
Método de Conmutación Q
El método de conmutación Q se utiliza principalmente con anchos de pulso desde us (microsegundos) hasta ns (nanosegundos), donde la salida del láser de conmutación Q se basa en la oscilación pulsada, que produce una gran potencia de salida en un corto periodo de tiempo.
En este método, la oscilación del láser se limita reduciendo el valor Q hasta que el cristal láser tiene una distribución de inversión y se hace grande. A continuación, cuando la distribución de inversión alcanza un tamaño determinado, se aumenta el valor Q para producir una luz pulsada intensa.
Se utiliza principalmente para procesar componentes electrónicos y semiconductores.
Con el establecimiento del método de conmutación Q descrito anteriormente, se hizo posible reproducir pulsos de nanosegundos de alta potencia en un solo, con una potencia pico mejorada en comparación con los láseres fabricados con sólidos, como el rubí, como matriz.
Posteriormente, en 1965 se mejoró el láser de rubí y, en 1966, se consiguió la oscilación en modo bloqueado con un absorbedor saturable en láseres de vidrio. Esto permitió la salida del láser en picosegundos.
Más tarde, en 1968, se consiguió una salida láser de subpicosegundos comprimiendo externamente el pulso de salida.
La década de 1970 también fue el apogeo de la era del picosegundo. Durante este periodo surgieron los láseres de YAG y de colorante, y comenzó a utilizarse el bloqueo de modo con funcionamiento de pulso rápido, lo que permitió disponer de láseres de picosegundos prácticos.
Además, en 1974 se consiguió la generación directa de pulsos de subpicosegundos mediante láseres de colorante de bombeo continuo.
Láseres YAG
El láser YAG es un método de obtención de luz láser mediante la excitación con luz intensa de cristales de itrio (Y), aluminio (A) y granate (G), que también se utilizan en su nombre.
Este método no utiliza electrodos ni otros componentes, lo que facilita el manejo, la rapidez y la automatización del proceso.
Láseres de Colorante
Los láseres de colorante, también conocidos como láseres líquidos, son un tipo de láser en el que el colorante se disuelve en alcohol o agua, que luego se utiliza como medio láser. Estos láseres tienen una amplia gama de longitudes de onda y pueden sintonizarse continuamente. También tiene una amplia gama de aplicaciones y se utiliza en el tratamiento del cáncer y el enriquecimiento de uranio.
En 1981 se desarrolló el método de sincronización colisional de modos de pulsos, que inauguró la era del femtosegundo. Posteriormente, en 1982, se desarrolló el método de compresión de pulsos, que acortaba la anchura del pulso.
Más tarde, en los años 90, el desarrollo de los láseres de Ti:zafiro con sincronización de modo automático permitió generalizar el uso de láseres de femtosegundo estables y de alto rendimiento.