Láseres
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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
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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.
Procesado de materiales con lser. Ingeniero de Materiales. Universidad de Salamanca 2
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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.
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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.
Procesado de materiales con lser. Ingeniero de Materiales. Universidad de Salamanca 4
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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
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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:
Procesado de materiales con lser. Ingeniero de Materiales. Universidad de Salamanca 6
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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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Qu es el lser?