LÁSER 101

¿Qué es un láser?

«Láser» es el acrónimo inglés de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplificación de luz por emisión estimulada de radiación). Dicho de forma más sencilla, un láser convierte energía en luz, que se amplifica mediante óptica antes de focalizarla en un haz de alta energía. La luz láser se diferencia de la luz normal en que puede colimarse, o hacerse menos propensa a la dispersión, y luego focalizarse para aumentar enormemente su densidad de energía. Existen muchos tipos de láseres, y sus usos abarcan desde el entretenimiento, la investigación científica y la cirugía hasta la fabricación industrial avanzada y de alta exigencia.

Todos los láseres comparten un conjunto básico de componentes. Un láser parte de un medio de ganancia, que se utiliza para amplificar la potencia de la luz; los medios de ganancia pueden ser gases, colorantes, diodos, cristales y fibras ópticas. A continuación se utiliza una fuente de energía, ya sea una corriente eléctrica o una fuente de luz, para bombear el medio de ganancia. Una vez generada la energía necesaria, unos materiales reflectantes denominados reflectores parciales y totales controlan la salida del láser, que después se ajusta y se focaliza según la aplicación concreta.

Longitud de onda del láser

Medida en nanómetros (nm) o micras (µm), la longitud de onda de un láser es la distancia entre crestas sucesivas de la onda luminosa. Las longitudes de onda láser suelen abarcar desde el ultravioleta profundo hasta el infrarrojo medio (IR) y son visibles para el ojo humano en el rango de ~400 a ~700 nm.

La longitud de onda es un factor crítico en muchas aplicaciones, porque los materiales suelen diferir enormemente en la forma en que absorben la energía de la luz. Los materiales absorben una parte de la energía del haz láser y reflejan el resto; el equilibrio entre ambas puede exigir el uso de una longitud de onda distinta. La longitud de onda también es de importancia crítica en aplicaciones avanzadas y científicas, como la microscopía, la captura óptica y la ultrasonografía.

Las longitudes de onda del infrarrojo cercano, de aproximadamente 1000 nm, se utilizan como punto de partida, especialmente para el procesamiento de metales. Esto se debe a que los láseres de infrarrojo cercano ofrecen mayores potencias, son menos complejos y suelen ser más rentables. La mayoría de los metales absorben eficazmente la luz en el rango del infrarrojo cercano o del visible. Incluso los metales con alta reflectividad en el IR, como el aluminio y el cobre, se procesan principalmente con láseres de infrarrojo cercano, que superan la reflexión del material con densidades de potencia más elevadas.

Diversos polímeros, cerámicas, vidrios y otros materiales no metálicos suelen procesarse con láseres de longitudes de onda comprendidas entre el infrarrojo medio y el ultravioleta profundo. Los polímeros transparentes y el vidrio son en realidad transparentes o casi transparentes a la luz del infrarrojo cercano, lo que permite que la mayor parte de esa luz los atraviese sin ser absorbida. En consecuencia, los materiales que absorben fácilmente la luz del infrarrojo cercano pueden procesarse a través de una capa de polímero o de vidrio.

Potencia láser

La potencia láser, también denominada potencia media, se mide en vatios (W). La potencia media de un láser representa la cantidad de energía que se entrega al material objetivo durante un periodo de tiempo. Los requisitos de potencia varían en muchos órdenes de magnitud según la aplicación. Muchas aplicaciones de sensórica, procesamiento de datos, telecomunicaciones, medicina o ciencia utilizan potencias de unos pocos milivatios a decenas de vatios. Las aplicaciones de procesamiento de no metales suelen requerir entre unos pocos vatios y unos cientos de vatios de potencia media. Las aplicaciones de fabricación metálica exigen potencias desde cientos de vatios, en algunos casos de microprocesamiento, hasta decenas o más kilovatios, en el caso del corte y la soldadura de metales gruesos.

Modo de funcionamiento del láser

Los láseres pueden emitir un haz de luz continuo para proporcionar un flujo constante de potencia media; este modo se denomina onda continua (CW) y es el modo de funcionamiento más común. Los láseres también pueden utilizarse en modo pulsado. Los láseres pulsados se caracterizan por los pulsos por segundo (frecuencia de repetición), la energía total del pulso (energía de pulso), la potencia máxima alcanzada por el pulso (potencia de pico) y la duración de cada pulso (duración de pulso).

Al igual que en los láseres CW, la salida de un láser pulsado a lo largo del tiempo se representa como potencia media. Los láseres pulsados, incluso cuando su potencia media coincide con la de un láser CW, afectan de forma distinta al material objetivo. A menudo se utilizan para procesar piezas minimizando el impacto térmico sobre el material circundante o cuando se necesita una mayor potencia de pico. Los láseres de pulso largo de onda cuasi continua (QCW) utilizan pulsos medidos en milisegundos con altas potencias de pico para emular el procesamiento de un láser CW con menor aporte de calor y con un láser de menor potencia. Los láseres de nanosegundos y ultrarrápidos (picosegundos/femtosegundos) aprovechan pulsos extremadamente cortos para aplicaciones de microprocesamiento en las que no es aceptable un aporte excesivo de calor o cuando se requieren potencias de pico extremadamente altas.

En términos generales, los láseres CW ofrecen las potencias medias más altas y, por tanto, las velocidades de procesamiento más rápidas. A la hora de decidir entre un láser CW y uno pulsado hay muchas consideraciones, pero a menudo la más importante es equilibrar el rendimiento con la calidad de la pieza. Muchas aplicaciones, como el corte de chapa metálica, se benefician de láseres CW de alta potencia para aumentar enormemente la velocidad de corte y no necesitan una calidad de borde impecable. Sin embargo, al cortar pilas de láminas ultrafinas se suelen utilizar láseres pulsados de nanosegundos y ultrarrápidos para garantizar una calidad de borde excelente y reducir o eliminar los efectos térmicos negativos.

Izquierda: perfil de haz multimodo con un tamaño de punto mayor. Derecha: perfil de haz monomodo con un tamaño de punto menor.

Tamaño de punto del láser y calidad del haz

Cuando un haz láser entra en contacto con el material objetivo, forma un área de luz láser denominada punto. El tamaño de punto, medido normalmente en µm, es un factor crítico para determinar cómo interactúa el láser con su objetivo. Puede controlarse de diversas formas, como el uso de distintas fibras de suministro y lentes de enfoque, la variación de la distancia entre la entrega del haz y el objetivo, y el empleo de longitudes de onda más largas o más cortas.

Reducir el tamaño de punto permite un uso más eficiente de la potencia del láser al concentrar la energía del haz en un área menor. Una mayor densidad de energía es útil para aumentar la velocidad de procesamiento al reducir el tiempo que tarda el haz en perforar el material. Los tamaños de punto pequeños también son esenciales en diversas aplicaciones de microprocesamiento y en piezas que requieren detalles finos. Sin embargo, en muchas aplicaciones como la soldadura estructural, aumentar el tamaño de punto es lo óptimo para procesar un área mayor y reducir el recorrido necesario del haz.

Calidad del haz, medida habitualmente en M² para láseres monomodo (tamaño de punto típico: 20 a 50 µm) y el producto del parámetro de haz (BPP) para láseres multimodo (tamaño de punto típico: 100+ µm), es un parámetro láser importante y complejo que, en la práctica, representa cuánto puede focalizarse un haz láser. Los valores más bajos de M² y de BPP corresponden a calidades de haz más altas. Una calidad de haz de M² = 1 significa que el haz no experimenta divergencia y se considera perfecto. Aunque esto no es del todo alcanzable con dispositivos reales, los láseres de fibra industriales pueden alcanzar de forma fiable calidades de haz de M² ≤ 1,1. En aplicaciones que requieren haces muy focalizados, como el corte, la perforación y la soldadura, las calidades de haz más altas mejoran la velocidad y la calidad del procesamiento. Algunas aplicaciones, como el tratamiento térmico láser de gran superficie y la limpieza, no requieren calidades de haz especialmente altas, sino que se benefician de una energía láser menos focalizada.