Tipos de láser 101: Guía de clasificación de láseres

Los láseres pueden clasificarse de varias maneras, normalmente por medio activo, método de excitación, modo de salida y rango de longitud de onda.

La clasificación por medio activo divide los láseres en láseres de estado sólido, gas, líquido y semiconductor.

Además, los láseres pueden clasificarse por su salida en onda continua o pulsada.

(1) Láseres de estado sólido

Los láseres de estado sólido utilizan materiales como el rubí, el vidrio de neodimio y el granate de itrio y aluminio (YAG), en los que una pequeña cantidad de iones está dopada uniformemente en el cristal o vidrio anfitrión. Los iones dopados, conocidos como iones activos, son los responsables de las emisiones láser. Los iones de metales de transición como el cromo (Cr³⁺) e iones metálicos de tierras raras como el neodimio (Nd³⁺) y el erbio pueden servir como iones activos.

Estos láseres suelen excitarse mediante luz, con fuentes de luz pulsada comunes, como las lámparas de flash de xenón, y fuentes continuas, como las lámparas de arco de criptón, las lámparas de tungsteno yodadas y las lámparas de rubidio potásico. En los láseres pequeños de larga duración, pueden utilizarse diodos emisores de luz o luz solar como fuente de excitación. Algunos láseres de estado sólido nuevos también se excitan con otros láseres.

Los láseres de estado sólido se caracterizan por su tamaño compacto, robustez, facilidad de uso y alta potencia de salida. Su potencia continua puede superar los 100 W, mientras que la potencia de pico de los impulsos puede alcanzar los 10 W.⁹W. Sin embargo, debido a la compleja preparación del medio activo, suelen ser caros.

(2) Láseres de gas

Los láseres de gas utilizan gases o vapores metálicos como medio activo, normalmente contenidos en un tubo de descarga para generar iones activos. Sus principales métodos de excitación son el eléctrico, el aerodinámico, el fotónico y el químico, siendo el eléctrico el más común.

En condiciones de descarga adecuadas, las partículas de gas se excitan selectivamente a un nivel de energía superior, creando una inversión del número de partículas entre éste y un nivel de energía inferior, lo que da lugar a transiciones de emisión estimuladas. Los láseres de gas pueden ser atómicos, iónicos, moleculares o excimer.

Los láseres de gas molecular suelen utilizar CO₂ como medio, que emite predominantemente longitudes de onda infrarrojas, que debido a su elevado efecto térmico, se utilizan habitualmente en corte por láserLos láseres de excímero emiten en la gama ultravioleta y se utilizan en el mecanizado fino, la fotolitografía y la medicina. Los láseres de excímeros emiten en la gama ultravioleta y se utilizan en el mecanizado fino, la fotolitografía y la medicina.

Los láseres de gas se caracterizan por su construcción sencilla, bajo coste, comodidad, buena calidad del haz y capacidad para funcionar de forma continua y estable durante largos periodos. Son el tipo de láser más diverso y utilizado.

(3) Láseres líquidos

Los láseres líquidos, también conocidos como láseres de colorante, utilizan colorantes orgánicos como medio activo disueltos en disolventes como etanol, acetona o agua, pero también pueden funcionar en forma de vapor. Entre los colorantes orgánicos más comunes se encuentran la rodamina, la cumarina y la ftalocianina, que permiten generar diferentes longitudes de onda láser dentro de la gama visible. Los láseres líquidos suelen ser bombeados ópticamente, ya sea por láseres o lámparas de flash.

Sus longitudes de onda abarcan desde el ultravioleta hasta el infrarrojo (321 nm a 1,168μm), y pueden ampliarse hasta el ultravioleta de vacío mediante técnicas de duplicación de frecuencias. Las ventajas de los láseres líquidos incluyen la salida continua sintonizable en un amplio rango y se utilizan principalmente en investigación científica y medicina, como la espectroscopia láser, la fotoquímica, la separación de isótopos y la fotobiología.

(4) Láseres semiconductores

Los láseres semiconductores, también conocidos como diodos láser, utilizan materiales semiconductores como medio activo. Debido a las diferencias estructurales, el proceso de generación del láser es bastante único para los distintos tipos de materiales semiconductores. Los materiales activos más comunes son el arseniuro de galio (GaAs), el sulfuro de cadmio (CdS), el fosfuro de indio (InP) y el sulfuro de zinc (ZnS).

Existen tres métodos principales de excitación: inyección eléctrica, excitación por haz de electrones y bombeo óptico. Los láseres de semiconductores se clasifican en homojunciones, heterouniones simples y heterouniones dobles. Los láseres de homojunción y heterounión simple suelen funcionar como dispositivos pulsados a temperatura ambiente, mientras que los láseres de heterounión doble pueden funcionar de forma continua a temperatura ambiente.

Los láseres semiconductores son compactos, tienen una larga vida útil y pueden bombearse fácilmente mediante una simple inyección de corriente. Su tensión y corriente de funcionamiento son compatibles con los circuitos integrados, lo que permite su integración monolítica. Además, pueden modularse directamente a frecuencias de hasta 50-100 GHz para una salida láser de alta velocidad.

Gracias a estas ventajas, los láseres semiconductores se utilizan ampliamente en comunicaciones láser, almacenamiento óptico, giroscopios ópticos, impresión láser, telemetría y aplicaciones de radar.

(5) Láseres de fibra óptica

Láseres de fibra óptica son un tipo de láser de estado sólido cuyo medio activo es la fibra dopada con tierras raras. La fuente de bombeo de un láser de fibra consiste en uno o más conjuntos de diodos láser de alta potencia. La luz de bombeo emitida se acopla a la fibra dopada con tierras raras a través de una estructura de bombeo especializada. Los fotones de la longitud de onda de bombeo son absorbidos por el medio de fibra dopada, creando una inversión de población que conduce a la emisión estimulada.

Las ondas de luz emitidas son reflejadas por los espejos del resonador, oscilando para producir la salida láser. Los láseres de fibra tienen una alta eficiencia de acoplamiento, pueden alcanzar fácilmente una alta densidad de potencia y tienen una excelente disipación del calor, lo que elimina la necesidad de voluminosos sistemas de refrigeración. Presentan una alta eficiencia de conversión, umbrales bajos, calidad de haz superior y anchos de línea estrechos.

Además, los láseres de fibra tienen una cavidad de resonador sin lentes ópticas, lo que permite un funcionamiento sin mantenimiento, una gran estabilidad y una vida útil extremadamente larga que supera las 100.000 horas. Como resultado, los láseres de fibra están sustituyendo gradualmente a otros tipos de láser en aplicaciones industriales como el corte, el marcado y la soldadura.