Introduction to different types of lasers

La tecnología láser se utiliza ampliamente en la fabricación moderna, el grabado, el corte, las comunicaciones y muchas otras industrias. Desde máquinas industriales hasta grabadoras láser de consumo, existen diferentes tipos de láser diseñados para distintas aplicaciones.

Si bien todos los láseres funcionan según el principio de emisión estimulada, utilizan diferentes materiales, estructuras y longitudes de onda. Estas diferencias determinan su rendimiento, coste y aplicaciones adecuadas.

Este artículo presenta el principio de funcionamiento básico de los láseres y explica los cuatro tipos principales: láseres de estado sólido, láseres de gas, láseres semiconductores y láseres de fibra.

¿Qué es un láser?

La palabra láser proviene de la frase "Amplificación de la luz mediante emisión estimulada de radiación."

El concepto de emisión estimulada fue propuesto por primera vez por Albert Einstein en 1917. Posteriormente, los investigadores confirmaron experimentalmente este principio, lo que finalmente condujo al desarrollo de la tecnología láser moderna.

Un láser es una fuente de luz artificial que produce un haz de luz altamente concentrado. Debido a su alta intensidad y precisión, los láseres suelen describirse como:

• "El cuchillo más rápido"
• "La regla más precisa"
• "La luz más brillante"

Un dispositivo láser generalmente contiene tres componentes clave:

1. Fuente de la bomba

La fuente de bombeo proporciona energía al sistema láser. Excita los átomos dentro del medio láser.

2. Ganancia media

El medio de ganancia, también llamado material de trabajo, absorbe la energía de la fuente de bombeo y produce luz amplificada.

3. Cavidad resonante

La cavidad resonante controla la reflexión y la amplificación de la luz. Permite que el láser oscile en un modo específico y produce el haz láser final.

¿Qué es el procesamiento láser?

El procesamiento láser utiliza un haz láser de alta energía enfocado mediante un sistema óptico para modificar o procesar materiales. Al mover el haz láser y la pieza de trabajo uno con respecto al otro, los láseres pueden realizar operaciones como corte, grabado, marcado, soldadura y microprocesamiento de precisión.

El procesamiento láser se utiliza ampliamente porque ofrece varias ventajas:

• Funciona con muchos tipos de materiales.
• Provoca poca deformación del material.
• Proporciona una alta precisión de procesamiento.
• Requiere bajo consumo de energía.
• Produce menos contaminación
• Admite procesamiento automatizado y a larga distancia.

Gracias a estas ventajas, el procesamiento láser se ha convertido en una importante tecnología de fabricación.

Principales tipos de láseres

Los distintos láseres utilizan diferentes materiales de trabajo, estructuras, longitudes de onda y métodos de excitación. Según el medio láser, los láseres se dividen generalmente en cuatro categorías principales:

Longitudes de onda de los láseres disponibles comercialmente

1. Láser semiconductor

Los láseres semiconductores, también conocidos como diodos láser, son láseres que utilizan materiales semiconductores como material de trabajo. Un ejemplo de láser semiconductor es el láser semiconductor de inyección eléctrica. Generalmente, se añaden GaN, GaAs y otros materiales al material semiconductor para formar un diodo de unión semiconductor.

Cuando se inyecta una corriente suficientemente grande en el diodo, los electrones (con carga negativa) en la región activa central se recombinan espontáneamente con los huecos (con carga positiva) y liberan el exceso de energía en forma de fotones, que luego se amplifican mediante múltiples reflexiones en la cavidad resonante para formar un láser.

Estructura básica del láser semiconductor

2. Láser de gas CO₂

Un láser de CO₂ es un láser que utiliza CO₂ como medio. En un tubo lleno de CO₂, se disponen placas de electrodos para generar la descarga. Estas placas están conectadas a una fuente de alimentación externa, lo que permite suministrarle energía de alta frecuencia como fuente de excitación.

El plasma se genera en el gas debido a la descarga entre los electrodos, y las moléculas de CO₂ se convierten a un estado excitado. Cuando el número de moléculas aumenta, comienza la emisión estimulada.

Estructura del láser de CO2

3. Láser sólido YAG

El láser YAG es un láser de estado sólido que utiliza un cristal YAG como medio láser. YAG se refiere a la cristalización del granate de itrio y aluminio con la adición de neodimio. El láser está configurado con diodos láser de excitación (LD) dispuestos a ambos lados, paralelos al eje del cristal YAG. Un par de espejos forman un resonador, y entre ellos se coloca un conmutador Q. Se utiliza para marcar, cortar, grabar y soldar metales.

Estructura del láser sólido YAG

4. Láser de fibra

El láser de fibra utiliza fibra óptica como medio y es el resultado del desarrollo de la tecnología de amplificación por interrupción para la comunicación a larga distancia, transformándola en un láser de alta potencia. Las fibras ópticas constan de un núcleo que transmite la luz en el centro y un revestimiento metálico que lo rodea en círculos concéntricos. El láser de fibra utiliza este núcleo como medio láser para amplificar la luz.

El láser de fibra generalmente se compone de luz pulsada, denominada fuente de luz semilla (luz semilla), generada por un diodo láser (LD semilla), y amplificada posteriormente por más de dos amplificadores de fibra. El diodo láser de excitación cuenta con múltiples emisores de tubo único (uno para la capa emisora de luz). Cada diodo láser tiene una baja potencia de salida, lo que le confiere la ventaja de una baja carga térmica y una larga vida útil.

Además, cuanto mayor sea el número de diodos láser (LD), mayor será la potencia de salida del láser. La eficiencia de oscilación del láser de fibra es alta y, en comparación con los láseres de estado sólido y los láseres de gas, se caracteriza por un menor consumo de energía.

Estructura del láser de fibra

La fibra óptica para amplificación (preamplificador, amplificador principal) tiene una estructura de tres capas, que incluye un núcleo y dos capas de revestimiento metálico. La luz de excitación entra por el revestimiento metálico interno y el núcleo con adición de iterbio, lo que provoca que los átomos dentro del núcleo se transformen en un estado excitado.

El láser está confinado en el núcleo y avanza, amplificándose al excitar los átomos. Cuanto más avanza en el medio, mayor es su intensidad. A diferencia de los láseres de estado sólido o de gas, la luz se dirige en una sola dirección y no se mueve de un lado a otro.

Estructura de fibra óptica para amplificación

Láser azul: Una nueva opción para el grabado láser de consumo

Los láseres azules son un tipo de láser semiconductor. Un láser azul común utiliza GaN (nitruro de galio) como material de trabajo y tiene una longitud de onda de alrededor de 450 nmLa luz azul tiene una alta tasa de absorción para muchos materiales, entre ellos: madera, metal, cerámica, materia orgánica, etc.

Gracias a las mejoras en la producción y la potencia de los láseres semiconductores azules, estos se han vuelto cada vez más populares en las máquinas de grabado láser para el consumidor.

En comparación con las máquinas de grabado de CO₂ tradicionales, las grabadoras láser azules pueden ofrecer una opción más económica para usuarios domésticos y pequeñas empresas. Por ejemplo:

• LARGER RAY5 5W La grabadora láser es un modelo básico de grabado láser azul diseñado para aplicaciones de grabado económicas.
• Láser LONGER B1 40W Es un modelo de mayor potencia diseñado para un rendimiento de corte más profundo.

Conclusión

Los láseres están disponibles en muchas formas diferentes, y cada tipo tiene sus propias ventajas. Los láseres de estado sólido, los láseres de gas, los láseres semiconductores y los láseres de fibra utilizan diferentes materiales y estructuras, lo que afecta a su longitud de onda, eficiencia y aplicaciones.

En la fabricación industrial, los láseres de fibra y de estado sólido se utilizan ampliamente para el procesamiento de precisión. Para el grabado doméstico, los láseres semiconductores azules se han popularizado debido a su diseño compacto y menor coste.

Comprender las diferencias entre los distintos tipos de láser puede ayudar a los usuarios a elegir la tecnología láser adecuada para sus necesidades específicas.