Los láseres, debido a sus propiedades físicas únicas, a menudo se denominan "el cuchillo más rápido", "la regla más precisa" y "la luz más brillante"

Comprender las diferencias entre los láseres semiconductores, de fibra, de disco y YAG comunes puede brindar mayor información al elegir modelos y ofrecer más temas de discusión. Este artículo, con un propósito principalmente educativo, presenta brevemente los principios de la generación de láseres, su estructura principal y varios tipos comunes de láseres .

Aquí encontrará

archivos SVG y Gcode gratuitos para grabado y corte láser

La palabra inglesa "láser" deriva del acrónimo de "amplificación de luz por emisión estimulada de radiación", que significa la amplificación de la luz mediante la emisión estimulada de radiación. Inicialmente, la traducción china de "láser" se transcribió fonéticamente como "镭射" (que aún se utiliza en regiones como Hong Kong y Taiwán), pero posteriormente, gracias al impulso de Qian Xuesen, figura destacada en ciencia y tecnología, se le denominó "激光" en China continental.

Los láseres se producen mediante la interacción entre la luz y la materia, es decir, la llamada amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación. Para comprender este proceso es necesario conocer los conceptos propuestos por Einstein, como la emisión espontánea, la absorción estimulada y la emisión estimulada, junto con algunos fundamentos teóricos necesarios.

El modelo de Bohr proporciona principalmente una comprensión de la estructura interna de los átomos, facilitando la comprensión de cómo se generan los láseres. Los átomos constan de un núcleo y electrones que orbitan a su alrededor. Las órbitas de los electrones no son arbitrarias; solo existen órbitas específicas disponibles para ellos. La órbita más interna se conoce como estado fundamental; cuando un electrón se encuentra en el estado fundamental, su energía es mínima. Si un electrón salta a una órbita externa, se dice que se encuentra en el primer estado excitado, que tiene un nivel de energía mayor que el estado fundamental; al moverse a otra órbita externa, el electrón se encuentra en el segundo estado excitado.

La generación de láseres es posible gracias al movimiento de los electrones entre estas diferentes órbitas dentro del modelo. Si un electrón absorbe energía, puede pasar del estado fundamental al excitado; a la inversa, cuando un electrón retrocede del estado excitado al fundamental, libera energía, que a menudo se emite en forma de láser.

Emisión espontánea

Como se muestra, un electrón con un nivel de energía superior, E2, pasa espontáneamente a un nivel de energía inferior, E1, y emite un fotón con energía hv, donde hv = E2 - E1. Este proceso de transición espontánea, independiente de influencias externas, se conoce como emisión espontánea, y las ondas de luz emitidas durante este proceso se consideran radiación espontánea.

Características de la emisión espontánea: Cada fotón es independiente, con diferentes direcciones y fases, y el tiempo de emisión es aleatorio, lo que produce una luz incoherente y caótica, contraria a la deseada para los láseres. Por lo tanto, el proceso de generación láser busca reducir este tipo de luz parásita. Esta es una de las razones de la presencia de longitudes de onda parásitas en los dispositivos láser. Con un control adecuado, la proporción de emisión espontánea en dispositivos láser puede ser insignificante, lo que resulta en láseres más puros. Por ejemplo, si un láser se especifica como 1060, significa que todas las longitudes de onda emitidas son exactamente de 1060 nm, lo que resulta en un láser con tasas de absorción y potencia de salida más estables.

Absorción estimulada

Cuando un electrón a un nivel de energía más bajo (órbita inferior) absorbe un fotón y pasa a un nivel de energía más alto (órbita superior), este proceso se denomina absorción estimulada. La absorción estimulada es crucial; es uno de los procesos clave del bombeo, donde la fuente de bombeo proporciona energía fotónica para que las partículas en el medio activo pasen a niveles de energía más altos, a la espera de la emisión estimulada para producir láser .

Emisión estimulada

Al exponerse a luz de energía externa (hv=E2-E1), un electrón de mayor nivel energético es estimulado por el fotón entrante para pasar a un nivel energético inferior (de una órbita superior a una inferior), y en el proceso, emite un fotón idéntico al entrante. Este proceso no absorbe la luz estimulante original, lo que resulta en dos fotones idénticos. Esto se puede entender como la liberación del fotón previamente absorbido por el electrón, un proceso conocido como emisión estimulada, que es el proceso inverso de la absorción estimulada.

Con una comprensión clara de la teoría, construir un láser se vuelve sencillo. Como se muestra, en condiciones normales, la gran mayoría de los electrones se encuentran en el estado fundamental. La generación de láseres se basa en la emisión estimulada, por lo que su estructura está diseñada para inducir primero la absorción estimulada, elevando los electrones a niveles de energía más altos. Posteriormente, mediante la estimulación, una gran cantidad de electrones de alta energía experimentan la emisión estimulada, liberando fotones. Este proceso genera luz láser. A continuación, presentaremos la estructura de un láser.

La estructura de un láser se corresponde directamente con las condiciones requeridas para su generación como se discutió anteriormente:

Un medio de ganancia sirve como medio de trabajo para el láser, con partículas activadas que poseen la estructura de nivel de energía adecuada para producir emisión estimulada (principalmente capaz de bombear electrones a órbitas de alta energía y mantenerlos allí durante una cierta duración antes de liberar fotones a través de la emisión estimulada, todos a la vez).

Una fuente de excitación externa (fuente de bombeo) puede bombear electrones desde niveles de energía más bajos a más altos, creando una inversión de población entre los niveles de energía más altos y más bajos del láser (donde hay más partículas en el nivel de energía más alto que en el más bajo), como la lámpara de xenón en un láser YAG.

Una cavidad resonante para lograr la oscilación del láser, que extiende la longitud de trabajo del material láser, filtra los modos de ondas de luz, controla la dirección de propagación del haz y amplifica selectivamente la frecuencia de la luz de emisión estimulada para mejorar la monocromaticidad (asegurando que el láser alcance una cierta energía antes de la salida).

Las estructuras correspondientes se ilustran como en el diagrama de una configuración básica de láser YAG; otras pueden ser más complejas, pero el principio central gira en torno al proceso de generación del láser como se muestra en el diagrama.

1. Basado en el medio de ganancia

Láseres de dióxido de carbono

El medio de ganancia de los láseres de dióxido de carbono es una mezcla de helio y CO₂, que produce una longitud de onda láser de 10,6 µm. Estos fueron de los primeros láseres en comercializarse, dominando inicialmente las aplicaciones de soldadura láser. Actualmente, se utilizan principalmente para soldar y cortar materiales no metálicos (como telas, plásticos, madera, etc.) y en máquinas de litografía. Los láseres de dióxido de carbono no pueden transmitirse a través de fibras ópticas y dependen de trayectorias ópticas en el espacio libre, por lo que se utilizan ampliamente en equipos de corte.

Láseres YAG (granate de itrio y aluminio)

Utilizan un cristal YAG dopado con iones metálicos de neodimio (Nd) o iterbio (Yb) como medio de ganancia láser, emitiendo una longitud de onda de 1,06 µm. Los láseres YAG pueden producir pulsos altos, pero tienen una potencia promedio menor, con una potencia de pico que puede alcanzar hasta 15 veces la potencia promedio. Son principalmente láseres de pulso y no pueden mantener una salida continua. Sin embargo, pueden transmitirse a través de fibras ópticas y presentan mayores tasas de absorción en materiales metálicos, encontrando aplicaciones iniciales en el procesamiento de materiales reflectantes y en el sector 3C (Informática, Comunicaciones y Electrónica de Consumo).

Láseres de fibra

El láser más utilizado actualmente en el mercado utiliza fibra dopada con iterbio como medio de ganancia, con una longitud de onda de 1060 nm. Según la forma del medio, se pueden clasificar en láseres de fibra y de disco.

Láseres semiconductores

El medio de ganancia es una unión PN semiconductora, con una longitud de onda de 976 nm para los láseres semiconductores. Actualmente, los láseres semiconductores de infrarrojo cercano se utilizan principalmente en aplicaciones de revestimiento, con puntos de haz superiores a 600 µm.

2. Clasificación por modo de interacción energética

Láseres pulsados

Estos láseres pulsados ​​de alta frecuencia (ns indica ancho de pulso) operan en nanosegundos, picosegundos y femtosegundos, lo que permite alcanzar una alta energía de pico y un procesamiento de alta frecuencia (MHz). Se utilizan para el procesamiento de placas delgadas de cobre y aluminio de materiales diferentes, así como para su limpieza. Su alta energía de pico permite una rápida fusión del material base, tiempos de interacción cortos y mínimas zonas afectadas por el calor, lo que ofrece ventajas en el procesamiento de materiales ultrafinos (menos de 0,5 mm).

Láseres de onda cuasi continua (QCW)

Los láseres de onda cuasicontinua, con altas tasas de repetición y ciclos de trabajo bajos (inferiores al 50%), tienen anchos de pulso que oscilan entre 50 µs y 50 ms. Los láseres de fibra cuasicontinua cubren la brecha entre los láseres de fibra continua de nivel de kilovatio y los láseres de pulso modulado; su potencia pico puede alcanzar hasta diez veces la potencia promedio del funcionamiento en modo continuo. Los láseres QCW suelen tener dos modos: soldadura continua de baja potencia y soldadura láser de pulso de alta potencia pico, diez veces la potencia promedio, lo que permite soldar materiales más gruesos y generar más calor, controlando el calor dentro de un rango pequeño.

Láseres de onda continua (CW)

Estos son los láseres más utilizados, siendo la mayoría de los láseres disponibles en el mercado de onda continua. Proporcionan una salida láser continua para soldadura y procesamiento. Los láseres de fibra, según el diámetro de su núcleo y la calidad del haz, se dividen en láseres monomodo y multimodo, adaptables a diferentes escenarios de aplicación.

Aquí encontrará

archivos SVG y Gcode gratuitos para grabado y corte láser