Principios del láser

¿Qué es la luz?

La luz es un tipo de "onda electromagnética". Las "ondas electromagnéticas" siguen un estándar de "longitud de onda" y, empezando por las ondas más largas, se pueden clasificar en ondas de radio, rayos infrarrojos, rayos visibles, rayos ultravioleta, rayos X y rayos gamma.

¿Qué es el color?

Al incidir las longitudes de onda de la luz en un objeto, aquellas que se reflejan sin ser absorbidas por el objeto, son captadas por el ojo humano (retina). Cuando esto ocurre, reconocemos estas longitudes de onda como el "color" del objeto. El índice de refracción varía según la longitud de onda, por lo tanto, la luz se divide. Como resultado, somos capaces de reconocer una amplia variedad de "colores". Por ejemplo, una manzana (bajo la luz diurna, que incluye rayos de luz específicos que le permiten al ser humano ver el color rojo) refleja las longitudes de onda de luz roja (600 a 700 nm) y absorbe todas las demás longitudes de onda de la luz. * Los objetos negros absorben toda la luz y se ven negros.

¿Qué es la luz visible?

Las ondas electromagnéticas que están dentro del rango de longitudes de onda que los humanos pueden ver, se llaman "rayos visibles". En el lado de longitud de onda corta, los rayos visibles miden de 360 a 400 nm, y miden de 760 a 830 nm en el lado de longitud de onda larga. Las longitudes de onda que son más cortas o más largas que los "rayos visibles", no son visibles por el ojo humano.

¿Qué es la luz visible?

Diferencias entre la luz ordinaria y los rayos láser

Aquí es donde las luces regulares (lámparas, etc.) y los láseres difieren. Los láseres emiten haces de luz con alta directividad, lo que significa que las ondas de luz que los componen viajan juntas en línea recta, casi sin dispersarse. Las fuentes de luz comunes emiten ondas de luz que se dispersan en todas las direcciones. Las ondas de luz en un rayo láser son todas del mismo color (una característica conocida como monocromaticidad). La luz ordinaria (como la luz de una bombilla fluorescente) es generalmente una mezcla de varios colores, que se combinan y aparecen como blanco.
Conforme viajan las ondas de luz en un rayo láser, éstas oscilan con sus picos y valles en perfecta sincronización, una característica conocida como coherencia. Cuando dos rayos láser se superponen entre sí, los picos y valles de las ondas de luz en cada haz se refuerzan entre sí, para generar un patrón de interferencia.

  Luz ordinaria Luz laser
Directividad
(rectitud)
BombillaBombilla LáserLáser
Monocromaticidad Longitudes de onda no uniformesLongitudes de onda no uniformes Longitudes de onda uniformesLongitudes de onda uniformes
Coherencia Fase no uniformeFase no uniforme Los picos y valles están alineados.Los picos y valles están alineados.

Etimología del láser

El término “láser” se originó como un acrónimo de “light amplification by stimulated emission of radiation” (amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación).

Principios del láser

Cuando los átomos (moléculas) absorben energía externa, pasan de un nivel bajo (estado de energía baja) a un nivel alto (estado de energía alta). A este estado se le describe como un estado excitado.
Este estado de excitación es uno que es inestable y en el mismo, los átomos intentarán volver inmediatamente a un estado de baja energía. Esto se llama transición.
Cuando esto ocurre, se emite una luz que es equivalente a la diferencia de energía. Este fenómeno se llama emisión natural. La luz emitida choca con otros átomos que se encuentran en un estado excitado similar, lo que induce una transición de la misma manera. Esta luz que ha sido inducida a la emisión se llama emisión estimulada.

Principios del láser

Tipos de láser

Los láseres se pueden dividir en tres tipos: de estado sólido, gas y líquido.

El tipo de láser óptimo diferirá dependiendo de la aplicación de procesamiento.

Estado sólido

Nd: YAG
YAG (granate de itrio y aluminio)

Longitud de onda estándar (1064 nm)

  • Marcado de propósito general

Segundo armónico (532 nm) (láser verde)

  • Marcado suave en obleas de silicio, etc.
    Utilizado para marcado y procesamiento detallado

Tercer armónico (355 nm) (láser UV)

  • Se utiliza para el procesamiento ultra detallado, como marcado de LCDs, procesamiento de reparación y de orificios VIA
    Procesamiento de reparación de cristal líquido: corte del patrón de recubrimiento durante las reparaciones
    Procesamiento de orificios VIA: perforación de agujeros en PCBs
Láser YAG (Nd: YAG)
Los láseres YAG se utilizan para el marcado de uso general y para procesamientos como el marcado y recorte, no sólo de materiales plásticos, sino también de metales. Con una longitud de onda de luz infrarroja cercana a 1064 nm, estos láseres no pueden ser vistos por el ojo humano.
YAG es una estructura cristalina de itrio (Y), aluminio (A) y granate (G). Mediante el dopaje de un elemento emisor de luz, en este caso el ion de neodimio (Nd), el cristal YAG entrará en estado de excitación a través de la absorción de luz de una lámpara o diodo láser.
Nd: YVO4 (1064 nm)
YVO 4 (vanadato de itrio)
  • Marcado de caracteres pequeños
    Alta potencia pico a altas frecuencias de Q-switch
    Buena eficiencia de conversión de energía
Láser YVO4 (Nd: YVO4)
Los láseres YVO4 se usan comúnmente para aplicaciones de marcado detalladas, como el marcado de caracteres pequeños y otras tareas de procesamiento. Con una longitud de onda de luz similar a la del láser YAG (1064 nm), el ojo humano no puede ver el láser YVO4.
Los láseres YVO4 son láseres sólidos con una estructura cristalina de itrio (Y), vanadio (V) y óxido (O4). Cuando esta estructura está dopada con un elemento emisor de luz de iones de neodimio (Nd), la aplicación de luz LD en un extremo de la estructura, crea un estado de excitación.
Yb: Fibra (1090 nm)
Yb (iterbio)
  • Marcado de alta potencia
    Área de superficie de medio de amplificación extremamente amplia para una fácil potencia alta
    Miniaturización posible gracias a una alta eficiencia de enfriamiento y mecanismos de enfriamiento simplificados
LD (650 a 905 nm)
  • Láser semiconductor (GaAs, GaAlAs, GaInAs)

Gas

CO2 (10.6 μm)
  • Máquinas procesadoras, aplicaciones de marcado, pelado láser
Láser CO2
Los láseres de CO2 se usan comúnmente en máquinas de procesamiento y para aplicaciones de marcado.
Con una longitud de onda de luz infrarroja de 10.6 μm, estos láseres no pueden ser vistos por el ojo humano. Los láseres de CO2 incluyen no sólo gas CO2 dentro del tubo de oscilación completamente sellado, sino también cantidades específicas de N2 (nitrógeno) y He (helio).
Esta característica le da a los láseres de CO2 el sobrenombre de los láseres de “tipo sellado”. El nitrógeno (N2) aumenta la energía del CO2, mientras que el helio (He) reduce constantemente la energía a un estado más estable.
He-Ne estándar (630 nm)
  • Sistemas de medición (medición de perfiles, etc.)
    Este es el tipo de láser más popular.
    Con una potencia de salida baja, estos láseres se usan comúnmente para mediciones de perfil, etc.
Excimer (193 nm)
  • Equipo de exposición de semiconductores, cuidado de los ojos
    Los láseres excímeros generan luz con una estructura relativamente simple, que mezcla gas inerte con gas halógeno.
    Como un láser ultravioleta profundo (DUV), la tasa de absorción es increíblemente alta.
    (Tales láseres se utilizan en el cuidado de los ojos, para realizar correcciones al evaporar la lente cristalina y enfocar la retina.
Argón (488 a 514 nm)

  • Aplicaciones científicas
    Disponibles en una variedad de colores, los láseres de argón se utilizan principalmente en laboratorios, como los laboratorios de biotecnología.

Líquido

Colorante (330 a 1300 nm)
  • Aplicaciones científicas
    El uso de la luz láser para excitar el colorante produce una fluorescencia del mismo.

Características de la longitud de onda

Marcador Láser CO2
Longitud de onda 10600 nm:
Comúnmente utilizado para el marcado de papel, plástico, vidrio y cerámica.
Esta longitud de onda también es absorbida por objetos transparentes, lo que permite su uso para marcar películas y otros objetos.
La alta potencia de esta longitud de onda permite cortar compuertas de productos moldeados, el corte de hojas de PET, etc.
  • Marcador Láser YVO4
  • Marcador láser YAG
  • Marcador láser de fibra
Longitud de onda 1064 nm (fibra: 1090 nm):
(longitud de onda estándar)
Se usa comúnmente para marcar metal, plástico y cerámica.
Esta longitud de onda proporciona una buena coloración del plástico, lo que permite un marcado de alta visibilidad. Los láseres
YVO4, YAG y los de fibra tienen diferentes características de luz, aunque las longitudes de onda son similares. Esto se debe a diferentes medios y métodos de oscilación. Cada uno se utiliza para diferentes aplicaciones según el objeto y el propósito. Los láseres YVO4 tienen una potencia pico alta y un ancho de pulso corto, lo que permite un marcado y procesamiento detallado de alta calidad. Al emplear calor con un ancho de pulso largo, los láseres de fibra son buenos para el marcado de negro recocido y para el marcado profundo en metal. Finalmente, incluso con una calidad de procesamiento inferior, los láseres YAG son ideales para soldadura y otras aplicaciones que requieren una gran cantidad de calor.
Marcador láser verde
Longitud de onda 532 nm:
(longitud de onda SHG)
En términos generales, cuanto más corta sea la longitud de onda de un láser, mayor será su energía y mayor será su tasa de absorción en el material.
Aunque la luz láser YAG e YVO4 no se absorbe fácilmente, la luz láser verde es adecuada para usarse con materiales difíciles de marcar.
Marcador láser UV
Longitud de onda de 355 nm:
(longitud de onda THG)
Este láser tiene una longitud de onda que es incluso más corta que SHG en la región UV.
Los láseres UV ofrecen una alta tasa de absorción, independientemente del material, y causan un estrés térmico mínimo. Esto minimiza el daño al producto y permite un marcado de alto contraste.

Principios de la oscilación láser

Esta sección presenta los principios que conducen a la oscilación de la luz láser.

1. Excitación

Cuando se proporciona luz desde una fuente externa, los electrones en los átomos absorben la luz, cambiando así su estado de energía, de básico (energía más baja) a excitado (energía más alta). A medida que aumenta la energía, los electrones se mueven de su órbita normal a una órbita más distante. Este aumento de energía se conoce como “excitación”.

Estado de los átomos
Átomo en su estado base
Átomo en su estado base
Átomo en su estado excitado
Átomo en su estado excitado
Estado de los electrones
Estado de los electrones

2. Emisión natural

Los electrones en el estado excitado variarán en sus niveles de energía aumentada, dependiendo de la cantidad de energía absorbida. Los electrones con energía acrecentada tenderán a estabilizarse después de un período de relajación, en el cual el aumento de energía se liberará en un intento por volver a un estado de energía baja. Cuando esto ocurre, se emite luz con la misma energía que la energía liberada. Esto se conoce como emisión natural.

Estado de los átomos
Estado de los átomos
Estado de los electrones
Estado de los electrones

3. Emisión estimulada

Como se muestra en las siguientes figuras, cuando la luz pasa a través de un electrón con el mismo nivel de energía, se crean fotones de luz adicionales con exactamente la misma energía, fase y dirección. En la emisión estimulada, por cada fotón de luz que pasa a través de un electrón, se emiten dos fotones. Esto se conoce como emisión estimulada.
Debido a que la luz de emisión estimulada tiene la misma energía, fase y dirección de viaje que la luz incidente, al estimular y liberar una gran cantidad de luz, es posible crear una luz fuerte que adopte estos tres factores. La luz láser se crea utilizando la emisión estimulada para amplificar la luz incidente. Como tal, la luz láser es monocromática (porque las energías de la luz deben ser las mismas), coherente (porque las fases están alineadas) y altamente directiva (porque la dirección de desplazamiento está alineada).

Estado de los átomos
Estado de los átomos
Estado de los electrones
Estado de los electrones

4. Inversión de la población

Para oscilar la luz del láser utilizando la emisión estimulada, se debe aumentar de manera abrumadora la densidad de los electrones de alta energía, respecto a la de los electrones de baja energía. Esto se conoce como inversión de la población. Asegurarse de que el número de fotones de luz emitidos exceda el número de fotones de luz absorbidos, permite la creación efectiva de luz láser.

Inversión de la población de electrones
Inversión de la población de electrones
  • = Numerosos electrones de alta energía
  • = Pocos electrones de alta energía

5. Oscilación del láser

Cuando un electrón emite luz a través de la emisión natural durante la inversión de la población, esta luz inicia una emisión estimulada de otro electrón y, a medida que la cantidad de fotones de luz aumenta a causa de que cada electrón estimula a los otros cercanos, se crea una luz fuerte. Esto se conoce como oscilación láser.

Inversión de la población de electrones
Inversión de la población de electrones
A: Emisión natural B: Emisión estimulada

Estructura de los tubos de oscilación láser

Tres elementos laser

Los tubos de oscilación láser constan de los siguientes tres elementos.

  1. Medio laser
  2. Fuente de excitación
  3. Amplificador
Tres elementos laser
  1. Medio laser
  2. Fuente de excitación
  3. Amplificador
Tres elementos laser

Inicio