III. SISTEMAS LÁSER ESPECÍFICOS
EN ESTE capítulo presentaremos el detalle de operación de algunos de los más importantes sistemas láser. Aunque en los dos capítulos anteriores se ha supuesto que en la cavidad amplificadora tenemos átomos en los cuales ocurren los procesos de absorción y emisión, esto no es esencial. Los procesos anteriores pueden también ocurrir en otro tipo de sistemas microscópicos, como por ejemplo las moléculas, los iones atómicos o incluso los electrones libres.
En general, cualquier sistema microscópico en el cual los procesos de absorción y emisión puedan ocurrir será llamado centro activo y el medio macroscópico que éstos forman se llama medio activo. Este último puede ser por ejemplo una mezcla gaseosa, un cristal, un semiconductor y varios otros.
A pesar de las grandes diferencias que existen en la extensa variedad de láseres actuales, se puede lograr una clasificación general de éstos tomando como parámetro el tipo de medio activo y el tipo de sistema de bombeo que utilizan. El cuadro III.1 muestra la agrupación bajo este criterio de los láseres más comunes.
De esta forma se distingue un láser de rubí de un láser molecular de bióxido de carbono, porque en el primero el medio activo es un cristal sólido que es bombeado ópticamente, mientras que en el segundo el medio activo es una mezcla gaseosa bombeada por una descarga eléctrica.
En general, cuando es posible, la presentación de cada láser aquí tratado abarca: a) la esquematización de los niveles de energía de los centros activos en los cuales tiene lugar la emisión láser, b) la explicación del efecto que el bombeo particular tiene sobre el medio activo, c) un resumen de las dificultades que presenta el funcionamiento del láser, y d) la forma en que éstas son solucionadas en la práctica. Finalmente, se incluye una sección donde se mencionan algunas de las aplicaciones más importantes actuales o potenciales para cada tipo de láser.
Históricamente éste fue el primer láser que funcionó en el mundo. Fue construido por Theodore Maiman en 1960, quien usó como medio activo un cristal de rubí sintético. El rubí es una piedra preciosa formada por cristales de óxido de aluminio Al2O3, que contiene una pequeña concentración de alrededor de 0.05% de impurezas de óxido de cromo Cr2O3 (el óxido de aluminio puro, Al2O3, se llama zafiro). La presencia del óxido de cromo hace que el transparente cristal puro de óxido de aluminio se torne rosado y llegue a ser hasta rojizo si la concentración de óxido de cromo aumenta. La forma geométrica típica que adopta el rubí usado en un láser es la de unas barras cilíndricas de 1 a 15 mm de radio y algunos centímetros de largo.
Características espectrales del láser del rubí
Los centros activos en el rubí son los iones de cromo, Cr+++,
que se presentan como impurezas en el cristal de Al2O3.
Los niveles energéticos del ion Cr+++, fundamentales para
el funcionamiento del láser de rubí, se muestran en la figura III.1. Puede notarse
la presencia de dos bandas de absorción cuya notación espectroscópica es 4F1
y 4F2. Estas bandas pueden absorber muy
eficientemente fotones de longitud de onda de 0.42 mm
y 0.55 mm (la relación entre la longitud
de onda l y la frecuencia v
es l = c/v, donde c
es la velocidad de la luz; c = 3 x 10 10
cm/seg). La vida media de los iones excitados en estas dos bandas es muy breve,
del orden de nanosegundos (1 nanosegundo 1 x 10-9 segundos). Transcurrido
este tiempo, dichos iones decaen de manera espontánea a un nivel energéticamente
inferior cuya notación espectroscópica es 2E.
Este último nivel tiene una vida media bastante larga (del orden de milisegundos;
1 milisegundo = 1 x 10-3 segundos) y debido a esto se conoce como
nivel "metaestable". Este último nivel, de hecho, está formado por dos subniveles
cuya notación espectroscópica es 2
y 
.
Cuadro III.1.
Cuando un ion de cromo sufre una transición de los subniveles 2
y al nivel base denotado
por 4A2, se emiten fotones con longitudes de onda
de 0.6929 mm y 0.6943 mm.
Funcionamiento de un láser de rubí
Si un ion de cromo se encuentra en cualquiera de los estados 4F2
o 4F1 experimenta una transición rápida hacia los
subniveles 2 o
(véase la figura III.1). Si lo hace hacia el subnivel 2
podrá pasar al estado base 4A2 emitiendo un fotón
a 0.6228 mm, mientras que silo hace hacia el subnivel
pasará al estado base 4A2
emitiendo un fotón a 0.6943 mm de longitud de onda.
Dado que, por razones estadísticas, es más probable encontrar al ion de cromo
en el estado que en el estado
2, el láser de rubí funciona
usualmente a 0.6943 mm.
Figura III.1.
Para el estudio teórico de estos láseres es habitual considerar solamente tres
niveles energéticos. En este caso el estado base 4A2
es interpretado como el primer nivel denotado por |1>, los niveles 4F2
y 4F1 como un solo tercer nivel denotado
por |3> y los subniveles
y 2 como un único segundo
nivel energético denotado por |2>.
La excitación del rubí se realiza mediante la energía óptica proporcionada por lámparas flash conectadas a un banco de capacitores. Esto se muestra en la figura III.2. Una de las grandes desventajas de los láseres bombeados ópticamente (incluido, claro está, el láser de rubí), es su baja eficiencia, que por lo general es menor del 0.1%. Otro inconveniente del láser de rubí consiste en la dificultad del crecimiento de los cristales sintéticos de rubí. Ello ha ocasionado que en la actualidad se prefiera como medio activo el uso de vidrios de fácil fabricación (como por ejemplo, vidrios con impurezas de neodimio) y no de cristales como el rubí.
Figura III.2.
ALGUNAS APLICACIONES DEL LÁSER DE RUBÍ
Este láser ha sido utilizado con éxito en aplicaciones industriales, militares, médicas y científicas. No obstante, hay que mencionar que debido a lo costoso y complicado de fabricación de las barras sintéticas de rubí, desde hace algunos años este tipo de láser ha sido desplazado por láseres similares en concepción y diseño que utilizan como centros activos iones de neodimio. La diferencia básica entre ambos láseres está en la longitud de onda de emisión: en el láser de rubí es de 0.6943 mm y en el de neodimio de 1.064 mm. Por lo tanto, prácticamente en todas las aplicaciones que a continuación se describen debemos tener en mente que se puede usar indistintamente un láser de rubí o uno de neodimio.
Entre sus aplicaciones industriales destaca su uso en la microperforación, así como en la producción de componentes electrónicos de precisión, como por ejemplo resistencias, en las cuales es necesario volatilizar muy pequeñas cantidades de material para fabricar resistencias de muy alta precisión. Otra importante aplicación de estos láseres se encuentra en el mercado de productos de venta con logotipos comerciales, la cual se muestra esquemáticamente en la figura III.3 (a).
Figura III.3 (a)
En el campo de la industria militar, estos láseres han sido utilizados como "marcadores de blanco". Con un láser de baja potencia de este tipo se apunta hacia el objetivo que se desea destruir; en seguida un misil o cohete con un sensor adecuado, diseñado para identificar el lugar en donde el láser está siendo apuntado se dirige a dicho lugar y logra así la destrucción del objetivo. Esto se muestra esquemáticamente en la figura III.3 (b).
Figura III.3. (b)
Entre las aplicaciones médicas se puede mencionar su uso en el tratamiento de problemas dermatológicos y tumores cancerosos, y su uso como cauterizador o bisturí láser. Ya que la radiación producida por este láser puede propagarse a través de fibras ópticas, es posible realizar en forma simple, segura y sin muchas molestias para el paciente, intervenciones en el estómago para el tratamiento de úlceras, o en las venas para destruir obstrucciones que podrían causar serios problemas circulatorios. En ambos casos dichas operaciones pueden realizarse en cuestión de minutos, y no requieren hospitalización ni cirugía mayor.
Las aplicaciones científicas de estos láseres son muy variadas. Difícilmente un solo libro dedicado tan sólo a este tema sería suficiente para mencionarlas. Comentaremos aquí una de las aplicaciones actuales más espectaculares y prometedoras de este tipo de láseres. La idea principal consiste en obtener energía por medio de microexplosiones termonucleares de fusión que puedan ser utilizables para fines civiles. Así como existen bombas atómicas de fisión que funcionan utilizando átomos pesados de uranio o plutonio (como las que desgraciadamente fueron detonadas en Hiroshima y Nagasaki), también existen bombas de fusión (mucho más poderosas en capacidad destructiva que las anteriores) que funcionan utilizando átomos ligeros como el hidrógeno o isótopos del hidrógeno (la llamada "Bomba H").
Un reactor nuclear es un dispositivo que nos permite utilizar reacciones nucleares de fisión con átomos pesados para producir energía eléctrica con fines pacíficos. Sin embargo, debido a que las reacciones nucleares de fusión liberan mucha más energía que las de fisión y a que las reservas mundiales de combustible para producir reacciones de fusión son mucho mayores que las reservas conocidas para producir reacciones de fisión, existe en el mundo un intenso esfuerzo científico por producir un nuevo tipo de reactores nucleares para producir electricidad con fines pacíficos, que funcionen haciendo uso de reacciones nucleares de fusión y no de fisión como los actuales. Una de las alternativas que actualmente está en investigación para la construcción de este nuevo tipo de reactores nucleares de fusión consiste en utilizar intensos pulsos láser, localizados en microesferas (de 0.1 a 1 mm de diámetro) que contienen el combustible nuclear (átomos de hidrógeno y algunos de sus isótopos como el deuterio y tritio), como se muestra en la figura III.3 (c). Debido a la intensa radiación láser incidente, la superficie de la microesfera se volatiliza casi instantáneamente, produciendo un gas de muy alta temperatura —llamado plasma—, en expansión alrededor de la esfera, como se muestra en la figura III.3 (d). Como reacción a la expansión de dicho plasma, el interior de la esfera se comprime (sufre una implosión) y alcanza temperaturas y densidades similares a las que ocurren en las estrellas.
De esta forma el combustible nuclear reacciona fusionándose y liberando energía que podría ser utilizada para generar electricidad.
Figura III.3 (c)
Figura III.3 (d)
El láser de helio-neón fue el primer láser de gas que se construyó. Actualmente sigue siendo muy útil y se emplea con mucha frecuencia. Los centros activos de este láser son los átomos de neón, pero la excitación de éstos se realiza a través de los átomos de helio. Una mezcla típica de He-Ne para estos láseres contiene siete partes de helio por una parte de neón.
Características espectrales del helio-neón
La figura III.4 muestra el diagrama de niveles de energía para el sistema He-Ne. Ahí se exponen las tres transiciones láser más importantes, las cuales ocurren a 3.39 mm, 1.15 mm y 0.6328 mm. Puede notarse que los niveles del helio, espectroscópicamente denotados como 21S y 23S, coinciden con los niveles 3s y 2s del neón. Como veremos en seguida, este hecho es fundamental para la excitación de los átomos de neón. En este láser los centros activos son los átomos de neón y la inversión de población se logra entre los niveles 3s con 3p y 2p, así como entre 2s y 2p.
Nótese que el nivel energético inferior de la transición láser no es el estado base del átomo de neón, por lo tanto, es necesario pasar de la transición inferior al estado base.
Figura III.4.
Funcionamiento del láser de helio-neón
El bombeo del láser de He-Ne se realiza por medio de las colisiones que realizan los electrones de una descarga eléctrica, principalmente con los átomos de helio. Como resultado de estas colisiones, los átomos de helio son excitados a los niveles 21S y 23S (véase la figura III.4).
La excitación de los átomos de neón se logra debido a colisiones de éstos con átomos excitados de helio. Como resultado de dichas colisiones, los átomos de helio pasan a su estado base y los átomos de neón pasan del estado base a los estados 3s y 2s, creando una inversión de población entre estos niveles y los niveles 3p y 2p. Entre estos niveles energéticos puede ocurrir la oscilación láser. A partir de los niveles 3p y 2p, los átomos de neón decaen espontáneamente al nivel inferior 1s, de. donde pasan al estado base debido a colisiones con otros átomos o con las paredes del tubo láser. La figura III.5 muestra la estructura básica de un láser de He-Ne. Las ventanas de Brewster instaladas en los extremos del tubo consisten en. láminas de vidrio colocadas en un ángulo específico (llamado ángulo de Brewster) para disminuir al máximo reflexiones de luz no deseada.
Figura III.5.
Generalmente estos láseres operan a una longitud de onda de 0.6328 mm, y las potencias típicas de salida son de 1 a 50 mW de potencia continua.
ALGUNAS APLICACIONES DEL LÁSER DE HE-NE
Este láser es sin duda alguna uno de los más ampliamente utilizados tanto en investigación básica como para fines didácticos o industriales que no requieran altas potencias luminosas.
Sus principales aplicaciones se presentan en el campo de la metrología, la holografía. y la interferometría holográfica, por ejemplo, en la realización de pruebas mecánicas no destructivas para verificar el estado de fatiga de tanques de alta presión, estructuras mecánicas y llantas de avión. De este modo, utilizando una simple prueba óptica se puede saber la resistencia y confiabilidad que un elemento mecánico puede tener. En la industria naval y aeroespacial, entre algunas otras, este tipo de pruebas introducen un factor de seguridad nunca antes imaginado.
Los láseres de He-Ne han sido también utilizados con éxito en algunas aplicaciones médicas; en dermatología para el tratamiento de manchas en la piel, o como auxiliares para estimular la regeneración de tejido en cicatrices.
Dentro de sus muy amplias aplicaciones científicas, basta mencionar que el uso de este tipo de láseres es necesario en la alineación de cualquier experimento o sistema óptico de precisión. La figura III.6, por ejemplo, muestra el montaje típico de un interferómetro de Michelson utilizado para la medición de microdesplazamientos.
Figura III.6.
Las transiciones radiativas entre niveles altamente excitados de gases nobles se conocen desde hace largo tiempo, y la oscilación láser en este medio activo data desde la década de los sesenta. Entre estos láseres, el de argón ionizado es el que más se utiliza, debido a sus intensas líneas de emisión en la región azul-verde del espectro electromagnético y a la relativa alta potencia continua que se puede obtener de él.
Características espectrales del argón ionizado
La figura III.7 muestra los niveles energéticos que contribuyen a lograr la emisión láser en el argón ionizado.
Figura III.7.
El bombeo, necesario tanto para ionizar el argón como para lograr la población de los niveles energéticos superiores de éste, se realiza por medio de colisiones múltiples entre electrones producidos por una descarga eléctrica con iones y átomos activos.
El nivel superior de la transición láser corresponde al nivel espectroscópicamente denotado por 4p, que es poblado en forma colisional, siguiendo los procesos:
el primero de ellos llamado "en cascada" y el segundo "directo". No obstante, la población del nivel superior de la transición láser puede también producirse debido a transiciones de niveles energéticamente superiores al 3p hacia el nivel 4p. El nivel inferior de la transición láser es el 4s.
El láser de argón tiene varias líneas de emisión, debido a que los "niveles" 4p y 4s, de hecho, están compuestos por 15 y 8 niveles espectrales respectivamente. Sin embargo, algunas transiciones son más intensas que otras: dos de las más importantes corresponden a radiación de 0.488 mm y 0.515 mm de longitud de onda.
Funcionamiento del láser de argón ionizado
Como hemos visto, en este láser el bombeo se realiza por una descarga eléctrica cuya corriente típica es entre 15 y 50 amperes, que al pasar por el tubo de descarga puede producir densidades de corriente del orden de 1 000 amperes/ cm².
Para evitar que los electrones de excitación pierdan energía al colisionar con las paredes del tubo de descarga se utiliza una bobina que produce un campo magnético para limitar el movimiento de los electrones en la dirección longitudinal del tubo. El esquema típico de un láser de argón ionizado se muestra en la figura III.8 (a).
Figura III.8. (a)
Debido a la alta corriente, el movimiento de los iones hacia el cátodo y de los electrones hacia el ánodo producirá una diferencia en la distribución de iones y de presión en el tubo, la cual puede interrumpir la oscilación del láser. Para solucionar este problema, una conexión de retorno para el gas se coloca entre el cátodo y el ánodo cuidando que la trayectoria de la columna de descarga en el tubo para evitar que la descarga eléctrica se realice en la conexión de retorno. (Véase la figura III.8 (a).)
Para poder seleccionar una sola longitud de onda de oscilación en el láser, dentro de la cavidad óptica se introduce un "elemento dispersor", cómo por ejemplo un prisma. De este modo sólo retornará a lo largo del eje óptico del láser radiación de una sola longitud de onda. Esto se muestra esquemáticamente en la figura III.8 (a).
Dado que estos láseres pueden proporcionar potencias continuas de hasta 100 watts y también ser operados en forma pulsada, se les ha encontrado diversas aplicaciones médicas, técnicas y científicas.
Su uso en fotoimpresión y litografía está muy difundido, así como en el mercado de logotipos comerciales, como se muestra esquemáticamente en la figura III.3 (a).
Estos láseres también han sido extensamente utilizados en el estudio de la cinética de reacciones químicas y en la excitación selectiva de éstas. Hay algunas reacciones químicas que sólo se producen en presencia de radiación láser o cuya rapidez puede incrementarse notablemente cuando los reactantes son irradiados con luz láser de longitud de onda apropiada. En el primer caso podemos obtener sustancias que de otro modo sería difícil obtener y en el segundo caso se tiene la posibilidad de incrementar la productividad de algunas industrias químicas.
Otro importante campo de aplicación de estos láseres está en el área médica. En particular destacan sus aplicaciones en oftalmología para la fotocoagulación y "soldadura" de pequeñas áreas. El ojo es transparente a la luz entre aproximadamente 0.38 y 1.4 mm. A menores longitudes de onda el cristalino y la córnea absorben la radiación y a mayores longitudes de onda son las moléculas de agua presentes en el ojo las que absorben la luz. Por medio de radiación láser es posible en la actualidad tratar casos de desprendimiento de retina. Como se muestra en la figura III.8 (b), el haz láser es focalizado en la retina por el propio cristalino del paciente.
Figura III.8. (b)
Finalmente, cabe mencionar que además de las aplicaciones anteriores, este tipo de láser es ampliamente utilizado (en algunos casos en forma bastante peligrosa e irresponsable) en "discotecas" y en laser-shows.
El láser de bióxido de carbono CO2 es el ejemplo más importante de los láseres moleculares. El medio activo en este láser es una mezcla de bióxido de carbono (CO2), nitrógeno (N2) y helio (He), aunque las transiciones láser se llevan a cabo en los niveles energéticos del CO2.
Como en seguida veremos, el N2 y el He son importantes para los procesos de excitación y desexcitación de la molécula de CO2.
Características espectrales del CO2
Las transiciones energéticas en una molécula ocurren debido a los cambios que ésta realiza en la energía almacenada en forma vibracional o rotacional.
En particular la molécula de CO2 presenta tres modos diferentes de oscilación vibracional que son: oscilación simétrica, oscilación de flexión y oscilación antisimétrica. Estos se muestran en la figura III.9. Como hemos visto anteriormente, la energía de un oscilador existe sólo en forma cuantizada y por tanto la energía de la molécula de CO2 puede representarse por una tríada. de números (i, j, k), en donde cada número representa la cantidad de energía asociada a cada modo.
Además de estos estados vibracionales, también son posibles los estados asociados a los movimientos rotacionales de la molécula alrededor de su centro de masa. Sin embargo, las energías asociadas a estos últimos son generalmente más pequeñas que las vibracionales.
La radiación de emisión asociada con la diferencia de energía entre transiciones energéticas electrónicas se encuentra usualmente en la región visible o ultravioleta del espectro, mientras que las transiciones vibracionales y rotacionales moleculares están en el infrarrojo cercano y lejano. Por esta razón la mayoría de los láseres moleculares trabajan en el infrarrojo.
Figura III.9.
La figura III.10 muestra los niveles energéticos de la molécula del CO2 y del N2.
Figura III.10
En el láser de CO2, las moléculas son excitadas del estado base al estado de mayor energía denotado como (001). Con una excitación adecuada se puede producir la inversión de población entre él estado (001) y los estados (100) y (020). La línea más intensa del láser de CO2 está localizada en l0.6 mm en el infrarrojo y es el producto de una transición entre los niveles (001) y (100). Una línea más débil a 9.6 mm compite con la línea de 10.6 mm, y se debe a una transición entre los niveles (001) y (020).
Para excitar a la molécula de CO2 del estado base (000) al estado excitado (001), se pueden usar eficientemente dos procesos, a saber:
a) Colisión de electrones. Consiste básicamente en la transferencia de energía entre electrones energéticos (denotados por e*) y moléculas de CO2 en su estado base (el estado (000)) para producir electrones con poca energía (denotados como e) y moléculas de CO2 en su estado excitado (el estado (001)). De esta manera, los electrones transfieren por colisión su energía a las moléculas de CO2.
Esta reacción se puede escribir como:
b)Transferencia de energía resonante de la molécula de N2.
Este proceso consiste en la transferencia de energía que moléculas de N2
previamente excitadas por colisión de electrones realizan con moléculas de CO2.
Se trata de un proceso muy eficiente, ya que, como podemos ver en la figura
III.10, los niveles energéticos de la molécula excitada de CO2 (en
el nivel (001)) y los de la molécula excitada de N2* casi coinciden.
Por ello, decimos que es un proceso "resonante". Esta reacción se escribe como:
Una vez que la transición láser entre los niveles (001) y (100) o (020) ha ocurrido, la molécula de CO2 pasa al estado (010) debido a colisiones con moléculas no excitadas de CO2. Finalmente la molécula de CO2 pasa del estado (010) al estado base (000) debido a colisiones con los átomos de helio introducidos.
En conclusión, podemos ver que la excitación de la molécula de CO2 es lograda eficientemente debido a la presencia del N2, mientras que la desexcitación de la molécula de CO2 se logra debido a la presencia del He.
Funcionamiento de un láser de CO2
Aunque todos los láseres de CO2 funcionan debido a los mismos principios, es conveniente analizar por separado los diferentes tipos de láseres de CO2, los cuales pueden ser clasificados por la manera en que se hace circular la mezcla gaseosa y por los métodos de producir la descarga eléctrica. En esta sección se describirán los láseres de CO2 de flujo axial y de flujo y excitación transversal, dejando para más adelante el láser dinámico de CO2, que involucra un sistema de bombeo diferente al de la descarga eléctrica.
a) Láser de CO2 de flujo axial. Estos láseres, también conocidos como "láseres longitudinales de CO2", constan básicamente de un tubo enfriado por medio de agua (o algún otro refrigerante) en cuyos extremos se colocan los espejos del resonador. La mezcla de gas se hace fluir por el tubo al mismo tiempo este se excita eléctricamente utilizando dos electrodos. Un esquema típico de estos láseres se muestra en la figura III.11. La simplicidad de estos aparatos y la facilidad con que pueden construirse los hacen muy atractivos para aplicaciones que requieren potencias bajas y medianas (menores de 500 watts continuos.)
Una mezcla de gas típica de CO2: N2: He está en la relación 0.8:1.0: 7.2. Éstas proporciones son hasta cierto punto aproximadas, ya que las razones que proporcionan la salida máxima se encuentran de manera empírica, variando las proporciones de la relación de gas durante la operación.
La eficiencia de un láser de CO2 puede aproximarse al 25%; esto los sitúa entre los láseres más eficientes.
b) Láser de flujo y excitación transversal de CO2. Para los láseres de flujo axial existe un límite en la potencia máxima que pueden proporcionar. Esto se debe a que gran parte de la potencia eléctrica que consumen es disipada en forma de calor. En estos láseres el calor se elimina por difusión del centro del tubo hacia las paredes, las cuales son enfriadas. (Véase la figura III.11.)
Figura III.11.
Una forma más eficiente de realizar el enfriamiento consiste en hacer que el gas fluya perpendicularmente a la descarga. (Véase la figura III.12.)
Figura III.12.
Si el flujo es lo bastante rápido, el calor se elimina por convección más que por difusión, y la excitación es realizada por una descarga perpendicular al eje del resonador. El flujo de gas y de corriente eléctrica de descarga puede aumentarse considerablemente (en relación con un láser de flujo axial) y por tanto la potencia de salida también aumenta. Potencias continuas de 3 kW y aun mayores son fácilmente alcanzables.
Debido a que estos láseres operan a presiones de gas más elevadas que las de los láseres de excitación longitudinal, tendremos una mayor potencia de salida debido al incremento de la cantidad de centros activos por unidad de volumen en la región de excitación.
ALGUNAS APLICACIONES DE LOS LÁSERES DE CO2
Las altas potencias proporcionadas por estos láseres han difundido su aplicación a varios procesos de manufactura y se ha logrado hacer eficiente la producción bajando al mismo tiempo los costos.
Algunas de las principales aplicaciones de los láseres de CO2 están en la industria metal-mecánica, plástica y textil, entre muchas otras. Son usados en el endurecimiento de metales así como en corte, soldadura y perforación. El cuadro III.2 ilustra la aplicación de este tipo de láseres en el corte de diversos materiales. En la mayoría de estas aplicaciones el uso del láser está sincronizado con elementos automáticos o computarizados tales como robots. De esta forma el corte de complicados diseños en diversos materiales puede realizarse en forma rápida y precisa. Hoy en día son ya: innumerables las industrias que utilizan robots-láser en sus líneas de producción, como la industria electrónica y la automotriz.
Cuadro III.2.
Además de estas aplicaciones industriales, destacan las aplicaciones médicas del láser de CO2. Esto es debido a que la radiación láser emitida de 10.6 mm es fuertemente absorbida por las moléculas de agua. Dado que el cuerpo humano está compuesto en más del 80% por estas moléculas, al hacer incidir dicha radiación en el tejido humano ésta es rápidamente absorbida. Al focalizar esta radiación en un tejido se produce una fina quemadura, cuya profundidad (para un sistema de focalización dado) puede controlarse variando la potencia del láser, lo cual constituye el principio de operación del bisturí láser. Las aplicaciones de este instrumento en cirugía general están ampliamente difundidas en la actualidad. Una importante ventaja que tiene sobre los bisturíes convencionales radica en que con el láser al mismo tiempo que se corta se está cauterizando; de este modo, es posible realizar complicadas intervenciones quirúrgicas sin gran pérdida de sangre y con mayor rapidez.
Aparte de las aplicaciones quirúrgicas del láser de CO2 destacan sus aplicaciones en dermatología, ginecología, proctología y, recientemente, odontología.
La diferencia fundamental entre un láser de gas dinámico y un láser convencional de CO2 radica en el método de bombeo empleado. En el láser de gas dinámico la radiación láser es producida al enfriar rápidamente una mezcla de gas precalentado que fluye a lo largo de una tobera hasta la cavidad del resonador.
Por las altas potencias que es capaz de proporcionar se ha convertido en una importante alternativa para ciertas aplicaciones industriales.
Funcionamiento de un láser de gas dinámico de CO2
Las transiciones energéticas vibracionales de la molécula de CO2 que son utilizadas para la emisión en el láser de gas dinámico de CO2 son las mismas que se usan en el láser convencional de CO2 y que fueron descritas en la sección anterior.
Un láser dinámico de CO2 utiliza mezclas gaseosas de CO2: N2: H2O en una relación típica de 0.8:9: 0.2 respectivamente. Un requisito esencial de estos láseres es que el tiempo de paso de la mezcla gaseosa a través de la tobera debe ser menor que el tiempo de vida del CO2 y del N2 en sus estados excitados.
La figura III.13 muestra esquemáticamente el diagrama de un láser de gas dinámico de CO2.
Figura III.13.
La elevada temperatura de la mezcla gaseosa necesaria para obtener la inversión de población se logra mediante combustión de materiales comunes como acetileno, etileno, etc., o calentando directamente la mezcla gaseosa mediante un chispazo producido por una bujía o un arco. Además del calentamiento causado por la rápida compresión a que es sometido el gas antes de entrar a la tobera.
Con sistemas de esta clase se ha logrado la emisión láser tanto en el modo continuo como en el pulsado.
La mezcla gaseosa es calentada a temperaturas de alrededor de 1 800ñ C y sometida a altas presiones (alrededor de 25 atmósferas). El paso de la mezcla a través de la tobera se realiza a velocidades supersónicas de 1 200 a 1 500 m/ seg y la expansión causada en ésta reduce la temperatura de la mezcla a valores del orden de 550ñ C y presiones de 0.1 atmósferas.
La eficiencia de estos láseres es baja, por lo general no mayor del 1 al 3%, debido a varios problemas. Uno de ellos consiste en que gran parte de la energía total de la mezcla gaseosa es convertida en energía cinética durante la expansión en la tobera; asimismo el paso de la mezcla gaseosa a lo largo de la tobera es tan rápido que una elevada cantidad de moléculas de N2 no tienen el tiempo de transferir su energía a las moléculas de CO2. Además, algunas moléculas de CO2 tampoco tienen tiempo de desexcitarse. La solución a estos problemas está estrechamente relacionada con el diseño mecánico-aerodinámico de la tobera de expansión del láser.
No obstante su baja eficiencia este láser permite extraer grandes cantidades de energía láser continua debido al elevado flujo de centros activos a través del resonador.
Láseres de este tipo de 100 kW continuos, o aún más, han llegado a construirse.
En forma análoga al láser de gas dinámico de CO2 han sido construidos esta clase de láseres, utilizando otros tipos de centros activos, como las moléculas de N2O o de CS2.
En virtud de las altas potencias que se pueden alcanzar con estos láseres, sus aplicaciones son importantes y variadas, aunque limitadas a campos en los cuales se requieren muy altas potencias láser. Entre éstas destacan aplicaciones en la industria metal-mecánica para soldadura, corte y tratamiento de materiales. Por ejemplo, en la industria naval y aeroespacial es utilizado para el corte de placas metálicas con alta precisión, en donde la manipulación y control del láser se realiza por medio de robots y computadoras. Debido a su alta potencia, las aplicaciones militares de estos láseres también han sido objeto de estudio. Destruir objetivos militares en movimiento en tierra o aire ha sido ya exitosamente realizado.
LÁSER DE SOLUCIONES LÍQUIDAS ORGÁNICAS
El medio activo en este tipo de láseres está compuesto por líquidos en los que se han disuelto compuestos orgánicos, entendidos estos últimos cómo los hidrocarburos y sus derivados.
Estos láseres son bombeados ópticamente y como en seguida veremos, una de sus más importantes características radica en que pueden emitir radiación láser en anchas bandas de longitud de onda, es decir que son "sintonizables".
Las moléculas orgánicas utilizadas como centros activos para este tipo de láseres se comportan básicamente como sistemas de tres niveles de energía, tal como se muestra en la figura III.14.
Figura III.14.
De hecho, cada "nivel" corresponde a bandas producidas por la energía vibracional de la molécula.
El nivel superior de la transición láser conocido como S1 se puebla al excitar ópticamente las moléculas de su estado base G al estado S1, por medio de un láser o una lámpara flash.
Por desgracia, el nivel S1 tiene una vida media muy pequeña y las moléculas que llegan a dicho nivel se desexcitan muy rápido. Es por tanto necesario realizar una gran cantidad de bombeo para mantener la inversión de población.
Existe también otro nivel energético que se conoce como T1 (véase la figura III.14), pero este nivel no contribuye a la acción láser. Este nivel tiene una vida media muy larga y por tanto las moléculas que llegan allí no regresan al estado base para nuevamente ser excitadas al nivel S1 y así cerrar el circuito de excitación molecular y emisión láser. De hecho, cuando una gran cantidad de moléculas llegan al nivel T1 el láser deja de oscilar.
Funcionamiento del láser líquido orgánico
Una forma de evitar los dañinos efectos causados por la presencia del nivel T1 es bombeando el láser con un pulso óptico muy corto; de este modo el láser oscila por un tiempo muy breve antes de que las moléculas sean atrapadas en el nivel T1.
Al compuesto líquido orgánico se le pueden añadir algunos "aditivos" que tienen como función desexcitar rápidamente las moléculas que llegaron al nivel T1. Otra Solución a este problema es hacer fluir el líquido orgánico a través del láser, de este modo el medio activo se está renovando constantemente, y permite la operación continua de este tipo de láseres.
La figura III.15 muestra el esquema típico de un láser de líquido orgánico.
Figura III.15.
ALGUNAS APLICACIONES DE LOS LÁSERES
En la actualidad hay mas de 200 líquidos orgánicos que pueden ser usados como medio activo para este tipo de láser. Se pueden obtener longitudes de onda de emisión desde el ultravioleta hasta el infrarrojo, y realizarse varias aplicaciones científicas en espectroscopía y excitación o absorción selectiva, entre muchas otras. Asimismo su utilización en el problema de la separación isotópica ha sido objeto de amplia investigación, principalmente al desarrollo de los programas nucleares de varios países. El Uranio natural U238 contiene aproximadamente el 0.7% del isótopo mas ligero U235, que es requerido por la industria nuclear. La idea básica para lograr la separación por medio de un láser de dichos isótopos se muestra en la figura III.16. Debido a la diferencia de masa entre los átomos U238 y U235 los niveles energéticos de sus electrones son también ligeramente diferentes, por lo tanto si utilizamos apropiado es posible ionizar tan solo los átomos de U235 dejando neutros a los átomos de U238 . Después de un conjunto de campos magnéticos separa a los átomos ionizados de los neutros.
Figura III.16.
Los láseres de semiconductores son los láseres más eficientes, baratos y pequeños que es posible obtener en la actualidad. Desde su invención en 1962 se han mantenido como líderes en muchas aplicaciones científico-tecnológicas y su continua producción masiva nos da un inicio de que esta situación se prolongará por mucho tiempo.
Hemos visto en el primer capítulo que podemos considerar a los átomos como pequeños sistemas solares con electrones girando en órbitas específicas alrededor de un núcleo con carga positiva. Los electrones localizados en la última órbita son llamados electrones de valencia y no son retenidos tan firmemente como los que se encuentran en las órbitas interiores. Cuando varios átomos se combinan para formar una molécula o una estructura cristalina los electrones de valencia son intercambiados libremente, ligando con esto a los átomos.
Elementos semiconductores típicos son el silicio y germanio. Un material semiconductor como el silicio en su forma cristalina tiene sus cuatro electrones de valencia entrelazadas con los átomos adyacentes.
La figura III.17 es una representación bidimensional de la estructura cristalina del silicio, en ella se muestran sus electrones de valencia y sus núcleos. A muy bajas temperaturas el silicio se comporta como un aislador, ya que no hay electrones libres que puedan conducir corriente eléctrica. Sin embargo, a temperatura ambiente, por la agitación térmica, algunos electrones serán separados de su posición dentro de la red cristalina, quedando libres y dejando en su lugar un "hueco" con carga positiva. Si a través del cristal se aplica un campo eléctrico circulará una pequeña corriente eléctrica debido al movimiento de electrones libres y de huecos.
Figura III.17.
Todos los materiales existentes pueden clasificarse en las siguientes categorías: conductores, aislantes o semiconductores. Los primeros son materiales que conducen con facilidad una corriente eléctrica a través de ellos. Los segundos difícilmente conducen corrientes eléctricas y los últimos están en una situación intermedia.
Un buen conductor como la plata tiene una conductividad de 6 x 107 mohs/ metro, mientras que un buen aislante como el cuarzo fundido tiene una conductividad de 2 x 10-17 mohs/ metro. Es decir que hay 24 órdenes de magnitud de diferencia en su conductividad. Un semiconductor tiene una conductividad típica de 7 a 14 órdenes de magnitud menor que un buen conductor. Ejemplos de materiales semiconductores son el germanio (Ge), el silicio (Si) y algunos compuestos como el arsenuro de galio (GaAs) y el sulfuro de plomo (PbS).
Es posible aumentar en forma controlada la conductividad de un semiconductor. Para realizar esto, durante la formación del semiconductor puro se introduce una pequeña cantidad de átomos "contaminantes" con tres o con cinco electrones de valencia en lugar de sólo cuatro. La introducción de átomos contaminantes con tres electrones de valencia como por ejemplo el bario (Ba), el galio (Ga) o el indio (In), da lugar a una estructura cristalina imperfecta en la cual han quedado "huecos positivos" que aumentan la conductividad del material. Este tipo de materiales se conocen como semiconductores tipo P y su representación bidimensional se muestra en la figura III.18. De manera similar, la introducción de átomos contaminantes con cinco electrones de valencia, como por ejemplo el fósforo (P), el arsénico (As), el bismuto (B) o el antimonio (Sb), da origen a una estructura cristalina imperfecta en la cual han quedado electrones en exceso qué incrementan la conductividad del material. Estos materiales contaminados con átomos con cinco electrones de valencia son llamados semiconductores tipo N. Su representación bidimensional se muestra en la figura III.19.
Figura III.18.
Figura III.19.
Diodos y láseres semiconductores
Cuando un trozo de material semiconductor tipo P y uno tipo N se unen tenemos una "unión P-N que es también conocida como diodo.
Si en este diodo colocamos una batería, conectando el polo positivo con el material tipo N y el polo negativo con el material tipo P, el resultado es que los huecos son atraídos por el potencial negativo de la batería y el potencial positivo de la batería atrae a los electrones libres. En este caso no puede haber circulación de corriente eléctrica a través del diodo y décimos que está polarizado en sentido inverso como se muestra en la figura III.20. Por el contrario, si conectamos una batería con el polo positivo al material tipo P y el negativo al material tipo N, los huecos positivos son repelidos por el potencial positivo de la batería y dirigidos hacia la unión de los materiales P y N. Por otra parte, los electrones libres de la región N son repelidos por el potencial negativo de la batería y dirigidos también hacia la unión de los materiales P y N. En dicha unión los electrones y los huecos se recombinan y permiten así el paso de corriente.
Figura III.20.
En este caso decimos que tenemos polarización en sentido directo, como se muestra en la figura III.21. Durante la recombinación de huecos y electrones pueden ser emitidos fotones que generalmente caen en la región infrarroja del espectro.
Figura III.21.
Diseñando una unión P-N de forma adecuada, podemos formar una cavidad láser, cuya región activa está formada por la región de unión de los materiales P y N. La realización práctica de un láser de semiconductor se muestra esquemáticamente en la figura III.22.
Figura III.22.
DE LOS LÁSERES DE SEMICONDUCTORES
Debido a su solidez y a sus reducidas dimensiones, estos láseres encuentran aplicación en cualquier área tecnológico-científica que demande un láser de no muy alta intensidad. Hoy en día, una de las aplicaciones principales de estos láseres se encuentra en los sistemas electro-ópticos de comunicación, en los cuales las líneas de transmisión por medio de cables eléctricos son sustituidas por fibras ópticas que tienen la ventaja de poder transmitir bastante más información que los cables eléctricos convencionales, además de ser prácticamente insensibles a perturbaciones eléctricas exteriores. La figura III.23 (a) ilustra la idea básica de estos sistemas de comunicación. En la actualidad es posible transmitir hasta 50 000 conversaciones telefónicas simultáneamente, por medio de una sola fibra óptica. Estos revolucionarios avances logrados en sistemas de comunicación que utilizan fibras ópticas y diodos láser eran inimaginables hace unas cuantas décadas.
Figura III.23(a).
Otra aplicación actual muy importante de los diodos láser la encontramos en los sistemas de lectura de discos ópticos compactos, mejor conocidos como discos láser o discos compactos. Estos discos contienen cierta información (por lo común es música pero también puede ser la Enciclopedia Británica), grabada digitalmente por medio de perforaciones cortas o largas en una laminilla metálica que es encapsulada en el plástico que constituye el disco compacto (poniendo a contraluz uno de estos discos podremos apreciar la presencia de dichas perforaciones). La lectura de la información ahí contenida se realiza en la forma que se muestra en la figura III.23 (b). Mientras el disco compacto gira, la presencia o ausencia de perforaciones es detectada por medio de la radiación láser reflejada en la superficie del disco. Esta radiación reflejada se convierte finalmente en una señal eléctrica por medio del detector mostrado en la misma figura.
Figura III.23(b).
Todos los sistemas láser anteriormente vistos basan su funcionamiento en la inversión de población lograda en un medio activo atómico o molecular.
Por tanto, la longitud de onda a la cual el láser emite está inevitablemente determinada por los centros activos contenidos en la cavidad láser, es decir, por las transiciones energéticas permitidas a los átomos o moléculas de dicho medio.
Un láser basado en la emisión de radiación estimulada por electrones libres no tiene las limitaciones propias de los láseres anteriormente vistos, pues los electrones libres no están sujetos a la existencia de transiciones energéticas particulares y por lo tanto pueden generar radiación electromagnética en cualquier longitud de onda del espectro. Este tipo de láseres utilizan como medio activo un haz de electrones que se mueve con velocidades cercanas a la de la luz. Debido a esto se le llama haz relativista de electrones.
Podemos describir un láser de electrones libres como un instrumento que convierte la energía cinética de un haz relativista de electrones en radiación láser.
Funcionamiento de un láser de electrones libres
Aunque el principio físico de la emisión estimulada, emisión espontánea y absorción que tiene lugar en un láser convencional no ocurre en un láser de electrones libres debido a la inexistencia de centros activos atómicos o moleculares, ocurren procesos homólogos, como se verá a continuación.
Como es sabido, una partícula eléctricamente cargada —como un electrón— que es acelerada, radia energía en forma de ondas electromagnéticas. Esta radiación es llamada emisión Bremsstrahlung, pero cuando es producida por la aceleración centrípeta de una partícula relativista en un campo magnético recibe el nombre de radiación . Esta radiación posee un espectro continuo desde los rayos X hasta las ondas centimétricas. En un láser de electrones libres podemos generar este tipo de radiación y debido a sus características espectrales la llamaremos emisión espontánea.
Los procesos de emisión estimulada y de absorción de una onda electromagnética en un láser de electrones libres ocurren debido al acoplamiento y consecuente intercambio de energía entre el haz relativista de electrones y la onda electromagnética propagada en él. Bajo ciertas condiciones la onda electromagnética puede absorber la energía del haz de electrones. En este caso decimos que el proceso de "emisión estimulada" ocurre y por lo tanto la onda electromagnética resulta amplificada.
Por otra parte, en otras condiciones la onda electromagnética cederá su energía al haz de electrones y en este caso decimos que el proceso de "absorción" está ocurriendo y por lo tanto la energía de la onda electromagnética será absorbida por el haz de electrones.
Sin embargo, los principios básicos del electromagnetismo nos dicen que el intercambio de energía entre un haz de electrones y una onda electromagnética que se propaga de manera colineal a éste sólo ocurrirá si los electrones del haz tienen una componente de movimiento transversal a la dirección de propagación del haz de electrones.
Para producir esta componente transversal de movimiento en los electrones, se coloca a lo largo del láser un conjunto de imanes cuya función es desviar la trayectoria rectilínea del haz de electrones y convertirla en una trayectoria ondulada, tal como se muestra en la figura III.24. De hecho, al conjunto de tal grupo de imanes se le llama ondulador.
La figura III.25 muestra el diseño esquemático del primer láser de electrones libres que se construyó. En este caso, el conjunto de imanes del ondulador forma una estructura helicoidal.
Este tipo de láser ha despertado mucho interés por la posibilidad que tiene de generar radiación láser en la región ultravioleta y de rayos X suaves del espectro.
Figura III.24.
Figura III.25.
ALGUNAS APLICACIONES DE LOS LÁSERES
La mayoría de las aplicaciones de este tipo de láseres están apenas en investigación, pero por su utilidad destacan las relacionadas con el campo médico. Por otra parte, aplicaciones militares relacionadas con el proyecto de la iniciativa de defensa estratégica estadounidense, mejor conocido como "La Guerra de las galaxias", siguen en estudio. Uno de los objetivos es desarrollar sistemas láser colocados en la Tierra o en el espacio, capaces de destruir misiles nucleares. La figura III.26 muestra un bosquejo de una de las opciones estudiadas. No obstante las ventajas actuales y potenciales de este tipo de láser, uno de sus mayores inconvenientes es, sin duda, su elevado costo, ya que para generar el medio activo (el haz de electrones) en la actualidad se están usando enormes y muy costosos aceleradores de partículas.
Figura III.26.
