Guía completa de principios y aplicaciones del láser

Última actualización:
28 de agosto de 2023

Índice

I. Principios del láser

Estructura básica de un láser:

1. Sustancia de trabajo

El medio activo del láser se refiere al sistema material utilizado para lograr la inversión de la población y amplificar la radiación estimulada de la luz. A veces también se denomina medio de ganancia láser. Pueden ser medios sólidos (cristales, vidrio), gaseosos (gas atómico, gas iónico, gas molecular), semiconductores y líquidos.

El principal requisito para el medio activo del láser es lograr la mayor inversión de población posible entre los niveles de energía específicos de sus partículas de trabajo, y mantener esta inversión de la forma más eficaz posible durante todo el proceso de emisión láser. Para ello, el medio activo debe tener una estructura de niveles de energía y unas características de transición adecuadas.

2. Fuente de bombeo

El sistema de excitación (bombeo) se refiere al mecanismo o dispositivo que proporciona una fuente de energía para lograr y mantener la inversión de partículas en el material de trabajo del láser. En función del material de trabajo y de las condiciones de funcionamiento del láser, pueden adoptarse diferentes métodos y dispositivos de excitación. Existen cuatro tipos comunes:

①. Excitación óptica (bombeo óptico). Consiste en utilizar la luz emitida por una fuente luminosa externa para irradiar el material de trabajo y lograr la inversión de partículas. El dispositivo de excitación completo suele estar compuesto por una fuente de luz de descarga de gas (como una lámpara de xenón o de criptón) y un condensador.

②. Excitación por descarga de gas. Consiste en utilizar el proceso de descarga de gas que se produce en el interior del material de trabajo gaseoso para lograr la inversión de partículas. El dispositivo de excitación completo suele estar compuesto por electrodos de descarga y una fuente de alimentación de descarga.

③. Excitación química. Consiste en utilizar el proceso de reacción química que se produce en el material de trabajo para lograr la inversión de partículas. Por lo general, esto requiere reactivos químicos apropiados y las correspondientes medidas de activación.

④. Excitación de energía nuclear. Consiste en utilizar los fragmentos de fisión, las partículas de alta energía o la radiación producida por una reacción de fisión nuclear a pequeña escala para excitar el material de trabajo y lograr la inversión de partículas.

3. Cavidad resonante - Para aumentar la distancia de propagación de las ondas luminosas en el medio de ganancia.

Un resonador óptico suele construirse combinando dos espejos con formas geométricas y características de reflexión óptica específicas de una manera determinada. Sus funciones son:

①. Proporcionar capacidad de retroalimentación óptica, permitiendo que los fotones de emisión estimulada viajen hacia adelante y hacia atrás varias veces dentro de la cavidad para formar oscilaciones sostenidas coherentes.

②. Limitar la dirección y la frecuencia de los haces de luz oscilantes dentro de la cavidad, garantizando que el láser de salida tenga cierta direccionalidad y monocromaticidad.

La primera función del resonador viene determinada por la forma geométrica (el radio de curvatura de la superficie reflectante) y el método de combinación relativa de los dos espejos que suelen componer la cavidad. La segunda función viene determinada por las diferentes características de pérdida selectiva del tipo de resonador para la luz con diferentes direcciones de desplazamiento y frecuencias dentro de la cavidad.

II. Clasificación de los láseres

Por medio de trabajo láser:

  • Láseres de estado sólido (láseres de fibra)
  • Láseres de gas
  • Láseres semiconductores
  • Láseres de colorante
  • Láseres de electrones libres

Modos de funcionamiento del láser:

  • Continuo
  • Pulso: Pulso único; Frecuencia repetitiva; Cuasicontinuo

Por composición química:

  • Láseres atómicos
  • Láseres moleculares
  • Láseres de iones
  • Láseres de electrones libres
  • Láseres excímeros

Métodos de modulación láser:

  • Carrera libre
  • Conmutación Q
  • Modo de bloqueo

III. Láseres típicos

1. Láseres de estado sólido

Se dividen en dos categorías: cristal y vidrio, fabricados por dopaje de iones activadores en el material de base.

En la actualidad, más de 200 sistemas de base dopada diferentes han realizado la oscilación láser como material de trabajo, pero los tres tipos que se utilizan ampliamente y tienen un buen rendimiento son los siguientes:

(1) Láser de vidrio de neodimio

El elemento de tierras raras neodimio está dopado en vidrio como material de trabajo, λ = 1,053 μm. Como se puede obtener vidrio de neodimio de gran volumen y buena uniformidad, se pueden fabricar dispositivos de gran tamaño, logrando láseres de alta energía y potencia. Se ha fabricado un láser con una potencia de salida de 1014W.

(2) Láser de rubí

  • Material de trabajo: Cristal de rubí
  • Longitud de onda de salida: λ=694,3nm
  • Ancho de línea de salida:Δλ=0,01~0,1nm
  • Modo de funcionamiento: continuo, pulsado
  • Ángulo de divergencia: θ ≈ 10-3rad, generalmente salida multimodo; Potencia de bombeo >umbral 10~20%→modo único

(3) Granate de aluminio e itrio dopado con neodimio (Nd:YAG)

  • Material de trabajo: Cristal YAG dopado con el elemento de tierras raras Neodimio
  • Longitud de onda de salida: λ=1064nm, 914nm, 1319nm
  • Modo de trabajo: Continuo, pulso de alta frecuencia de repetición

Gracias a la posibilidad de dopar con una alta concentración de neodimio, el material de trabajo puede proporcionar una mayor potencia láser por unidad de volumen, y el láser puede hacerse más pequeño. Si se utiliza un láser semiconductor como fuente de bombeo, el volumen del dispositivo puede ser aún menor.

(4) Láser de zafiro titanio sintonizable de onda continua

3900S CW Láser de Ti:zafiro sintonizable

Láser IR de estado sólido, sintonizable y de alto rendimiento

Longitud de onda de salida de 675 a 1100 nm

Bombeado por un láser Ar o LD bombeando un láser de 532 nm

TEM00 La potencia de salida puede alcanzar los 3,5 Wcw.

Aplicaciones:

  • Espectroscopia
  • Láser de fibra investigación
  • Investigación en telecomunicaciones
  • Estudios sobre semiconductores

2. Láseres de gas

  • Material de trabajo: Varios gases mezclados, buena uniformidad óptica.
  • Los láseres de gas son superiores en monocromaticidad y estabilidad del haz en comparación con los láseres de estado sólido, semiconductores y líquidos.
  • Las líneas espectrales han alcanzado miles de tipos (160nm~4mm).
  • Modo de trabajo: Funcionamiento continuo (la mayoría de los casos)

La mayoría de los láseres de gas tienen el punto débil de no tener una potencia instantánea elevada.

Razón: Normalmente, la presión del gas es baja, por lo que hay menos partículas por unidad de volumen.

(1) Láser Helio-Neón

Material de trabajo: Mezcla de gases Helio y Neón

El láser es emitido por átomos de neón, mientras que el helio mejora las condiciones de descarga del gas, aumentando así la potencia de salida del láser.

Longitud de onda de salida: La comúnmente utilizada es 632.8nm

En función de las condiciones de funcionamiento elegidas, el láser puede emitir luz infrarroja cercana, roja, amarilla y verde.

(λ=3,39μm; λ=1,15μm)

(2) CO2 Láser

Láser CO2

Material de trabajo: Una mezcla de CO2He, N2y Xe

El láser es emitido por CO2 mientras que los otros gases ayudan a mejorar las condiciones de trabajo del láser, aumentando la potencia de salida, la estabilidad y la vida útil del láser.

Longitud de onda de salida: λ=10,6μm

El láser de CO2 es el de mayor potencia láser de gascon una potencia continua de 50 kW y una potencia de impulsos de 1012 W.

(3) Láser de iones de argón

Láser de iones de argón

Láser de iones de argón/criptón, Stabilite2017 Láser de iones de argón/criptón

Longitud de onda de salida:

  • λ =488nm;
  • λ =514,5 nm ;

Máxima potencia de salida en la zona de luz visible

La potencia de salida oscila entre unos pocos vatios y unos cientos de vatios.

3. Láser de helio-cadmio

Utilizando vapor de cadmio metálico como material emisor, tiene principalmente dos líneas espectrales continuas, a saber, radiación ultravioleta con una longitud de onda de 325nm y luz azul de 441,6nm. La potencia de salida típica es de 1~25mW y 1~100mW respectivamente. Sus principales áreas de aplicación incluyen la impresión tipográfica, el recuento de células sanguíneas, la inspección de chips de circuitos integrados y los experimentos de fluorescencia inducida por láser, etc.

Láser de helio y cadmio de la empresa rusa PLASMA

(1). Láser de vapor de cobre

Sus dos principales líneas espectrales de trabajo son la luz verde de 510,5 nm de longitud de onda y la luz amarilla de 578,2 nm. Con una anchura de pulso típica de 10 a 50nS, la frecuencia de repetición puede alcanzar hasta 100KHz. En el nivel actual, la energía de un solo pulso ronda 1mJ. Esto significa que la potencia media puede alcanzar los 100 W, mientras que la potencia máxima puede llegar a los 100 KW.

(2). Láser molecular de nitrógeno

La excitación por descarga de pulsos emite luz externa violeta, con una potencia de pico que alcanza decenas de megavatios, una anchura de pulso inferior a 10nS y una frecuencia de repetición de decenas de Hz a miles de Hz. Se utiliza principalmente como fuente de bombeo para láseres de colorante, y también puede utilizarse para análisis espectral, detección, medicina y fotoquímica. Longitudes de onda habituales: 337,1 nm, 357,7 nm.

Láser de moléculas de nitrógeno VSL-337ND-S

3. Láser semiconductor

Fabricado con materiales semiconductores de diferentes componentes.

Láser con el área activa y el área de restricciones.

Características: El más pequeño en tamaño, el más ligero en peso, larga vida útil, el tiempo de uso efectivo supera las 100.000 horas.

Gama de longitudes de onda de salida: Ultravioleta, visible, infrarrojo

Potencia de salida: mW, W, kW.

Diagrama esquemático del láser semiconductor DFB

Diagrama esquemático del láser semiconductor DBR

Láser de emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL)

Láser de emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL)

Láseres en cascada cuántica, QCL

Un nuevo tipo de dispositivo semiconductor unipolar basado en el principio de la transición de electrones entre subbandas en pozos cuánticos semiconductores y el tunelado resonante asistido por fonones.

Acoplamiento de fibra (paquete pigtail)

Dispositivos láser semiconductores

Láser de emisión única acoplado a fibra tipo ProLite

IV. Aplicaciones del láser

1. Aplicaciones industriales

  • Medición de precisión (distancia, desplazamiento)
  • Procesado por láser (corte, soldadura, taladrado, grabado)
  • Análisis espectral

2. Aplicaciones médicas

  • Oftalmología
  • Cirugía general
  • Odontología
  • Dermatología

3. Aplicaciones militares

  • Telémetro láser
  • Reconocimiento láser
  • Comunicación por láser atmosférico
  • Guía láser
  • Armas láser

4. Aplicaciones diarias

  • Impresoras láser
  • Unidades ópticas de ordenador
  • Escáneres de códigos de barras
  • Láser Antifalsificación
  • Luces láser de neón

5. Aplicaciones en el campo de la comunicación

  • Comunicación láser espacial
  • Comunicación por fibra óptica

V. Mecanismos de daño de las armas láser

1. Efecto de ablación - Alta temperatura local

2. Efecto onda de choque

3. Efecto de radiación - Campo electromagnético intenso

VI. Ventajas de las armas láser

1. No es necesario el cálculo balístico

2. Sin retroceso

3. Fácil manejo, uso ágil y versátil

4. Sin contaminación radiactiva, alta relación coste-eficacia

Casi todos los láseres utilizados en las comunicaciones ópticas son láseres de semiconductores, y sólo un pequeño número de sistemas de CATV utilizan láseres de estado sólido bombeados por LD de 1310 nanómetros o 1550 nanómetros.

Los láseres utilizados en comunicación son principalmente de dos tipos: fuentes de luz de bombeo utilizadas en amplificadores de fibra óptica y fuentes de luz de señal utilizadas en transmisores.

Los láseres utilizados en las comunicaciones por óptica de espacio libre (FSO) son de dos tipos: 850 nm y 1550 nm.

VII. Medición láser

Aproveche la monocromaticidad, la gran coherencia y la directividad de los láseres para realizar mediciones e inspecciones de alta precisión, como la medición de longitudes, distancias, velocidades y ángulos.

VIII. Soldadura láser

Los láseres de alta energía (capaces de producir temperaturas de unos 5500 oC) se utilizan para soldar grandes piezas de material duro.

IX. Prototipado rápido láser

X. Grabado por láser

XI. Fusión nuclear por láser

Se trata de una cámara de objetivos de fusión láser, donde diez rayos láser convergen al mismo tiempo en una pequeña muestra de combustible que genera una reacción de fusión nuclear, desencadenando la fusión.

XII. Tratamiento médico con láser

LáserLongitud de onda(μm)Sujetos de tratamiento (casos)
Láser CO210.6Ortopedia (pigmentación, hemangioma, cáncer de piel), Cirugía Ortopédica (incisión ósea), Cirugía Torácica (cirugía cardiovascular), Neurocirugía (tumores meníngeos, neuroma acústico), Otorrinolaringología (tratamiento del aparato bronquial y las cuerdas vocales), Cirugía Oral (extirpación de la lengua, cáncer oral), Oftalmología (enucleación), Odontología (esterilización de la caries dental), Cirugía Gastroenterológica (anastomosis de colon y apéndice, incisión del tubo digestivo), Cirugía General (extirpación de tumores, injertos de piel).
Láser de iones de argón0.4880.514Oftalmología (tratamientos de desprendimiento de retina y cataratas), Neurocirugía (tumor del nervio auditivo), Cirugía Plástica (eliminación de pigmentaciones y diversos procedimientos de remodelación), Medicina Interna (úlceras de estómago), Dermatología (eliminación de lunares, manchas de la edad y tatuajes).
Láser YAG1.06Medicina interna (tratamiento no quirúrgico de coagulación para hemorragias gastrointestinales, polipectomía), urología (extirpación de tumores, obstrucciones y cálculos de la vejiga), acupuntura láser (efecto de estimulación láser).
Láser Rubí694Ortopedia (trastornos cutáneos), oftalmología (glaucoma), odontología (eliminación del sarro)
Láser de coloranteLongitud de onda sintonizableOftalmología (Glaucoma), Medicina Interna (Selección de la coagulación endoscópica)
Láser de criptón0.350.531Selección Organizativa de Condensación, Fototerapia
Láser molecular de amoníaco0.337Investigación Biológica Básica, Fototerapia
Láser He-Ne0.633Acupuntura láser (efecto de estimulación láser)
Láser Excimer ArF0.193Oftalmología (corrección de la curvatura de la córnea)

XIII. Comunicación por láser

Como la frecuencia de las ondas de luz es varios órdenes de magnitud superior a la de las ondas de radio, una fibra óptica muy fina puede transportar una cantidad de información equivalente a la que puede transportar un cable de este grosor en la imagen.

XIV. Armas láser

XV. Pantalla láser

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