Físico brasileño produce un láser compacto con alta eficiencia

La eficacia de conversión de la potencia recibida es la mayor registrada para aparatos de este género y se obtuvo sin el añadido de componentes caros ni procedimientos complejos

Por José Tadeu Arantes

Agência FAPESP – Un diseño innovador le permitió al físico Niklaus Ursus Wetter, del Instituto de Investigaciones Energéticas y Nucleares (Ipen, por sus siglas en portugués), en Brasil, obtener un láser con un 60% de eficiencia, la mayor registrada en el mundo para aparatos de este género.

Este resultado se obtuvo en el marco del proyecto de investigación intitulado “Desarrollo de láseres compactos y de alta eficiencia para aplicaciones en lidar móvil y satélite”, apoyado por la FAPESP, y se lo comunicó en el artículo intitulado “Influence of pump bandwidth on the efficiency of side-pumped, double-bean mode-controlled lasers: establishing a new record for Nd:YLiF4 lasers using VBG”, publicado en la revista Optics Express.

Sin añadir componentes caros ni complejos al aparato original, Wetter obtuvo el resultado únicamente reconfigurando la geometría de un láser de Nd:YLF (fluoruro de itrio y litio dopado con neodimio).

El resultado fue un láser sumamente compacto, robusto y liviano, como debe ser para aplicaciones en satélites y otros dispositivos móviles, tales como los que se valen de la tecnología lidar (light detection and ranging).

“La eficiencia que obtuvimos, del 60%, fue la mejor que se ha reportado para este tipo de cristal. Significa que más de la mitad de la potencia utilizada para hacer que el aparato funcione se convierte en luz láser, produciendo un haz de altísima calidad”, declaró el investigador a Agência FAPESP.

Wetter se licenció en Física en el ETHZ, el Instituto Federal de Tecnología de Zúrich, en Suiza, y finalizó su doctorado en el Ipen. Desde 2013 es gerente del Centro de Láseres y Aplicaciones (CLA) de dicho instituto.

El investigador recordó que los láseres antiguos, utilizados hasta comienzos de la década de 1990, eran aparatos de gran porte y bajísima eficiencia. En el caso de los láseres de gas, que emitían en el rango de la luz visible, menos del 1% de la energía recibida se convertía en haz láser, y más del 99% se transformaba en calor.

“Esto demandaba sistemas de refrigeración enormes y edificaciones anexas al edificio donde se encontraba el aparato destinadas a dicho sistema. Para generar 10 vatios de luz era necesario disipar miles de vatios de calor”, dijo Wetter.

Se fueron realizando muchas mejoras en el transcurso de los años, y los láseres de estado sólido dopados con neodimio se convirtieron en las mejores opciones cuando el objetivo era conciliar gran potencia con alta calidad; pero la eficiencia no sobrepasaba el 10%. La eficacia mejoró mucho y llegó al 50% con el surgimiento del láser de diodo de alta potencia. La tradicional lámpara de bombeo, que era ineficiente, salió de escena y dejó su lugar al diodo.

“Nuestro aparato es un láser pequeño y robusto, que puede operarse en cualquier lugar, sin necesidad de contar con un ambiente con control de temperatura o vacío. Existen incluso láseres más eficientes, pero requieren materiales especiales y muy caros. El mejor de la actualidad, un láser de iterbio, llega cerca del 80% de eficiencia, pero demanda refrigeración a una temperatura de 78 Kelvin (menos 195 grados Celsius aproximadamente), lo cual, obviamente, no es algo práctico”, dijo Wetter.

El científico hizo hincapié en que la reconfiguración a la que arribó tuvo en cuenta el mercado brasileño, para evitar la dependencia de insumos caros, sistemas complejos de bombeo o cuidados especiales con el aislamiento térmico en relación con el ambiente.

En lugar de funcionar continuamente, este aparato emite pulsos cortos muy intensos, de 7 a 8 nanosegundos de duración y más de 1 milijulio de energía, en intervalos de 1 milisegundo. “La alta intensidad hace posible una serie de efectos, como por ejemplo la generación de segundo armónico. Esto hace que el láser, que normalmente opera en el infrarrojo cercano, pase a operar también en la franja de la luz visible, en el color verde.”

Como es sabido, una de las utilizaciones del láser verde es la remoción de tatuajes en dermatología. Pero sus usos son muchos y diversificados: desde la investigación ambiental, con la emisión de pulsos en la atmósfera y la captación de la luz difundida para el rastreo de contaminantes hasta el grabado de piezas en la industria.

Monocromía, coherencia y colimación

El termo “láser” está compuesto por las iniciales de las palabras inglesas light amplification by stimulated emission of radiation (“amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación”). Se trata de un proceso que produce radiación electromagnética monocromática (con una sola longitud de onda), coherente (con todas las ondas en concordancia de fase) y colimada (con los rayos prácticamente paralelos). Todas las virtudes del láser provienen de la combinación de estas tres características.

A tal fin, un determinado material, denominado “medio activo”, es bombeado por una fuente de energía (por ejemplo, una lámpara o un diodo). Debido al aporte de energía, los átomos del material quedan excitados, con sus electrones migrando hacia las órbitas más energéticas.

Espontáneamente, cada electrón tiende a regresar al estado fundamental (de mínima energía), emitiendo la energía excedente en forma de fotón (cuanto de luz). Con todo, en lugar de dejar que el decaimiento suceda al azar, este dispositivo lo induce mediante otro fotón de la misma energía.

Cada fotón liberado por un electrón estimula así al electrón siguiente a emitir otro fotón con la misma longitud de onda. Se desencadena así un efecto cascada. Y un componente llamado “resonador” hace que los fotones producidos regresen al medio activo, induciendo mayor emisión estimulada.

De este modo, se genera una emisión de gran intensidad, con las tres características mencionadas: monocromía, coherencia y colimación.

Reconfiguración geométrica

“La intensidad del haz láser obedece radialmente a una distribución gaussiana. Es decir, la mayor intensidad se ubica en la línea central, y su valor decae desde el centro hacia la periferia del haz. Lo que hicimos fue potenciar ese núcleo más intenso del haz mediante una reconfiguración geométrica”, dijo Wetter.

La novedad introducida fue el pulido del cristal no solamente en las caras de entrada y salida del haz, sino también en uno de los costados, y la orientación del haz hacia la superficie lateral pulida, donde sufre una reflexión interna total. Con esta reflexión, el núcleo del haz queda expuesto y entonces recibe el bombeo del diodo.

“Es como si abriésemos el haz de láser con un bisturí y entregásemos nuestro aporte de energía exactamente en el medio, donde la intensidad es máxima”, comparó el investigador.

Si bien este artificio promueve una gran eficiencia del láser como un todo, no asegura la calidad del haz. Para obtener un haz de excelente calidad, Wetter recurrió a un procedimiento adicional, que consistió en hacer que el mismo incidiese una segunda vez sobre la superficie de bombeo, a una distancia muy bien calculada de la incidencia inicial. La cercanía de ambas líneas impide que el haz láser se ensanche y pierda calidad.

“Ambos pasos, que forman parte del mismo haz de láser, bregan por energía de bombeo. Como se encuentran muy cerca entre sí, no logran aumentar de calibre sin robarse energía de ellos mismos. Como consecuencia de ello, el haz permanece con el menor tamaño transversal posible”, dijo Wetter.