Láseres

TEMA 1. EL LSER: INTRODUCCIN E HISTORIA

Qu es el lser?

Lser es un acrnimo que viene de Light Amplification by Stimulated Emission

of Radiation, algo as como amplificacin de luz por emisin estimulada de radiacin.

Es una fuente de luz que se caracteriza por su coherencia, monocromaticidad y

direccionalidad. Debido a esta direccionalidad permite alcanzar intensidades de energa

muy altas en reas muy pequeas, aspecto decisivo en muchas de sus aplicaciones

industriales.

La radiacin lser est basada en la emisin estimulada, que consiste en la

generacin de fotones de caractersticas iguales a las de uno incidente y que es el

proceso dominante cuando se da la condicin de inversin de poblacin (ms poblacin

en los niveles altos de energa que en los bajos) en los niveles implicados en la

generacin de luz. En caso contrario se impone la emisin espontnea, en la que cada

fotn emitido tiene caractersticas diferentes.

Puesto que esa inversin de poblacin no se produce de modo natural, es

necesario provocarla por medios externos. Eso es lo que se conoce como bombeo.

Puede hacerse con otra fuente de luz, corriente elctrica, reacciones qumicas, etc. Un

bombeo suficiente y la presencia de un resonador o cavidad (aunque sta no es

estrictamente necesaria) permiten que se produzca la emisin lser en materiales muy

distintos.

Historia del lser

Puesto que el lser se basa en la emisin estimulada, puede decirse que naci

tericamente cuando Einstein, en 1917, propuso dicho concepto. Sin embargo, tuvieron

que pasar ms de cuarenta aos para que el lser se convirtiera en realidad.

Durante la Segunda Guerra Mundial se cre una tecnologa muy fuerte en el

campo de las microondas que permiti que a principios de esa poca se pudiera inventar

el mser, anlogo del lser en el rango de las microondas. Charles Townes y su grupo

son considerados los inventores del mser, aunque tambin lo consiguieron de forma

independiente Basov y Prokhorov, y Weber. En 1958, el propio Townes y Arthur

Schawlow propusieron cmo conseguir un mser ptico y por ello obtuvieron la patente

Procesado de materiales con lser. Ingeniero de Materiales. Universidad de Salamanca 1

del lser, pero fue Theodore Maiman quien en 1960 construy el primero: un lser de

rub bombeado por una lmpara de tipo flash que emita pulsos a 694.3 nm.

Ese lser supuso una revolucin muy importante y a partir de ese momento se

invirti mucho dinero y mucha gente en encontrar lseres mejores y aplicaciones para

ellos. Ya en 1961, en los Laboratorios Bell se invent el primer lser continuo, uno de

helio-nen que emita a 1.15 micras y ms tarde ya en el visible (632.8 nm). Ha sido

uno de los lseres ms utilizados hasta la fecha. Durante la dcada de los sesenta se

descubrieron la mayora de los lseres que se utilizan ahora, aunque muchas de las

aplicaciones tuvieron que esperar hasta la dcada siguiente. En particular, el lser se

introdujo en la industria a partir de mediados de los setenta, cuando los distintos

modelos pasaron de la fase de prototipos a otra de mayor robustez y fiabilidad.

En las dos ltimas dcadas el lser se ha hecho un hueco en nuestra vida diaria

con aplicaciones que todos conocemos. Posiblemente el mayor avance, adems de una

an mayor fiabilidad y un precio muchsimo ms bajo, haya sido el descubrimiento de

los lseres de pulsos ultracortos, que constituyen una fuente de altsimas energas

concentradas en tiempos del orden de los femtosegundos (10-15 s) y cuyas aplicaciones

no han hecho ms que empezar.

Hitos en la historia del lser

Ao Nombre Logro

1916 Albert Einstein Teora de la emisin de la luz. Concepto de emisin

estimulada.


1928 Rudolph W. Ladenburg Confirmacin de la existencia de la emisin estimulada.

1940 Valentin A. Fabrikant Posibilidad de inversin de poblacin.

1947 Willis E. Lamb

R. C. Retherford

Primera demostracin de la emisin estimulada en

hidrogeno.

1951 Charles H. Townes Inventor del mser, primer dispositivo basado en la

emisin estimulada (Premio Nobel en 1964).

1951 Alexander Prokhorov

Nikolai G. Basov

Inventores independientes del mser (Premio Nobel en

1964).

1951 Joseph Weber Inventor del mser independientemente.

1954 Robert H. Dicke Patente de bombeo ptico.

1956 Nicolaas Bloembergen Primera propuesta de un mser de estado slido con

esquema de tres niveles.

1957 Gordon Gould Primer documento que define un lser.

1958 Arthur L. Schawlow

Charles H. Townes

Primera publicacin detallada que describe el mser

ptico. Acreditados como inventores del lser.

1960 Arthur L. Schawlow

Charles H. Townes

Patente del lser (n 2929922)

1960 Theodore Maiman Inventor del primer lser que funciona, basado en rub.

1960 Peter P. Sorokin

Mirek Stevenson

Inventores del segundo lser (de uranio).

1961 A. G. Fox

T. Li

Anlisis terico de los resonadores pticos.

1961 Ali Javan

William Bennett Jr.

Donald Herriott

Inventores del lser de helio-nen.

1962 Robert Hall Inventor del lser de semiconductor.

1964 J. E. Geusic

H. M. Marcos

L. G. van Uitert

Inventores del lser de Nd:YAG.

1964 Kumar N. Patel Inventor del lser de CO2.

1964 William Bridges Inventor del lser de argn.

1965 George Pimentel

J. V. V. Kasper

Primer lser qumico.


1966 William Silfvast

Grant R. Fowles

Primer lser de vapor de metal (Zn - Cd).

1966 Peter Sorokin

John Lankar

Primer lser de colorante.

1969 GM Delco Primera instalacin industrial de tres lseres, en una

industria automovilstica.

1970 Grupo de Nikolai Basov Primer lser de excmero.

1977 Grupo de John Madey Primer lser de electrones libres.

1980 Grupo de Geoffrey Pert Primer informe de emisin lser en rayos X.

1981 Arthur Schawlow

Nicolaas Bloembergen

Premio Nobel de Fsica por su trabajo en ptica no

lineal y espectroscopa.


El lser en el procesado de materiales

Las aplicaciones del lser en el procesado de materiales son numerosas: corte,

soldadura, marcado, tratamientos superficiales, microfabricacin,... Se calcula que ste

es el segundo mercado ms amplio para el lser, slo detrs del de las comunicaciones.

En el procesado de materiales los lseres ms utilizados son los de CO2 y

Nd:YAG. Hoy son habituales los lseres de CO2 con potencias de salida de entre 10 y

600 W y tiempos de vida de ms de 10000 horas, por lo que suponen una inversin

rentable para empresas medianas e incluso pequeas. Sin embargo, cada vez son ms

usados otros tipos de lser como los de fibra ptica, los de excmeros, los de diodo y los

modernos lseres de estado slido de pulsos ultracortos, por lo que cada vez hay ms

opciones dependiendo de la aplicacin en cuestin.

Lseres usados en procesado de materiales

Lser Longitud de

onda (micras)

Rgimen de

operacin

Aplicaciones tpicas

CO2 10.6 Continuo,

pulsado

Corte, soldadura, perforado,

tratamientos trmicos

Nd:YAG 1.06, 0.532 Continuo,

pulsado

Corte, soldadura, perforado,

marcado

Rub 0.694 Pulsado Soldadura de punto, perforado

Nd:vidrio 1.06 Pulsado Soldadura de punto, perforado


Alejandrita 0.72 - 0.78 Pulsado Perforado

Ti:zafiro 0.7 - 1.1 Pulsado

(ultracorto)

Microablacin,

microfabricacin

Vapor de cobre 0.511, 0.578 Pulsado Perforado

Excmero 0.249 Pulsado Microfabricacin, ablacin,

procesado de semiconductores

Argn 0.488, 0.514 Continuo Procesado de semiconductores

Lseres habituales para procesado de metales

Lser Tratamiento

trmico

Solda-

dura Perforado Corte Marcado

CO2 de mediana potencia

(200 - 800 W) - S S S -

CO2 de alta potencia

(> 900 W) S S S S -

Nd:YAG de baja-mediana

potencia (< 100 W) - S S - S

Nd:YAG de alta potencia

(> 100 W) - S S S -

Lseres habituales para procesado de no metales

Lser Perforado Corte Grabado Marcado

CO2 de baja potencia

(20 - 200 W) S S S S

CO2 de media potencia

(200 - 800 W) S S S -

CO2 de alta potencia

(> 900 W) - S - -

Nd:YAG de media-baja

potencia (< 100 W) - - S S

A grandes rasgos, las propiedades que hacen del lser una herramienta tan

importante en el procesado de materiales son las siguientes:


Los altos valores de irradiancia lo convierten en la mejor fuente de calor localizado posible.

Las zonas afectadas por el calor pueden ser muy pequeas. El proceso suele ser sencillo y fcil. Es fcilmente compatible con la automatizacin. La preparacin es muy rpida, por lo que es aplicable para prototipos. No requiere condiciones de vaco. No hay contacto con el material, con lo que se reducen los problemas de

contaminacin.

Funciona bien con materiales difciles, como los refractarios y frgiles. Puede conseguir precisiones altsimas. reas inaccesibles con otros mtodos pueden alcanzarse con el lser.

Como no todo iban a ser ventajas, tambin tiene algunos inconvenientes:

El desembolso inicial puede ser fuerte dependiendo del tipo de lser. La profundidad de penetracin es limitada, excepto para lseres de kilovatio. Puede causar evaporacin no deseada (por ejemplo en procesos de soldadura). La calidad de perforado no siempre es buena, salvo con lseres de pulsos

ultracortos.

Como en todo, hay que valorar los pros y los contras antes de invertir en

tecnologa lser, aunque el hecho de que cada vez est ms extendida muestra que casi

siempre las ventajas superan a los inconvenientes.

Bibliografa

W. M. Steen, Laser Material Processing, Springer-Verlag (Londres, 1998). J. F. Ready, Industrial Applications of Lasers, Academic Press (San Diego, 1997). R. E. Slusher, Laser technology, Rev. Mod. Phys. 71, S471-S479 (1999).


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