Láser Nd:YAG

Un láser Nd:YAG (granate de itrio y aluminio dopado con neodimio) es un tipo de láser de estado sólido ampliamente utilizado. El medio activo de ganancia es un cristal sintético (YAG) dopado con iones de neodimio (Nd³⁺), que sustituyen a una pequeña fracción de los iones de itrio en la estructura cristalina. Normalmente emite luz en la región infrarroja cercana a una longitud de onda de 1064 nm, aunque puede configurarse para emitir a otras longitudes de onda.

Principios de funcionamiento

El láser Nd:YAG funciona como un sistema láser de cuatro niveles, lo que le permite alcanzar con gran eficiencia la inversión de población necesaria para la acción láser.

1. Bombeo: Una fuente de luz externa (la «fuente de bombeo») inyecta energía en el cristal de Nd:YAG. Los iones de neodimio absorben esta luz y se excitan desde su estado fundamental hasta una banda de bombeo de mayor energía.
2. Decaimiento no radiativo: Los iones excitados decaen rápidamente, sin emitir luz, y pasan a un estado «metaestable» ligeramente inferior y relativamente estable.
3. Emisión estimulada: Como el estado metaestable retiene los iones durante más tiempo que los niveles de menor energía, se produce una «inversión de población»: hay más iones en el estado excitado que en el estado de reposo inferior. Cuando un ion finalmente desciende, emite un fotón. Este fotón estimula a otros iones excitados para que desciendan y emitan fotones idénticos, lo que crea una avalancha de luz coherente.
4. Decaimiento final: Los iones descienden desde el nivel láser inferior hasta el estado fundamental, listos para ser bombeados de nuevo.

Construcción física

La arquitectura física de un láser Nd:YAG consta de tres componentes principales:

• Medio de ganancia: El propio cristal de Nd:YAG, normalmente conformado como una varilla cilíndrica o una placa rectangular.
• Fuente de bombeo: El mecanismo utilizado para excitar el cristal. Históricamente, se ha empleado una lámpara de destello de banda ancha, como una lámpara de xenón o criptón. Los sistemas modernos y eficientes utilizan diodos láser, una configuración conocida como DPSS, del inglés Diode-Pumped Solid State.
• Resonador óptico (cavidad): Dos espejos situados en los extremos del cristal.
  • Reflector de alta reflectancia (HR): Un espejo que refleja ~100% de la luz láser de vuelta al cristal.
  • Acoplador de salida (OC): Un espejo parcialmente reflectante que permite que un porcentaje específico de la luz salga como haz láser final, mientras refleja el resto de vuelta para mantener la emisión estimulada.

Parámetros ópticos clave

• Longitud de onda principal: 1064 nm (infrarrojo cercano).
• Longitudes de onda armónicas: Al hacer pasar el haz de 1064 nm por cristales ópticos no lineales, se puede multiplicar la frecuencia (y dividir la longitud de onda) para producir 532 nm (verde), 355 nm (UV) o 266 nm (UV profundo).
• Modo de funcionamiento: Puede ser de onda continua (CW) para obtener un haz constante, o pulsado.
• Energía de pulso / potencia pico: En los láseres pulsados, mide la potencia bruta suministrada en un solo pulso, que a menudo alcanza megavatios.
• Duración del pulso (anchura): El tiempo que dura el pulso, que puede variar desde milisegundos hasta nanosegundos, picosegundos o incluso femtosegundos.
• Calidad del haz (factor M²): Indica cuánto se aproxima el haz láser a un haz gaussiano ideal y perfecto. Un valor de M² igual a 1.0 es perfecto.

Clasificaciones y tipos

Los láseres Nd:YAG suelen clasificarse según el método de bombeo y la forma en que emiten luz:

• Bombeo por lámpara frente a bombeo por diodo (DPSS): Los láseres DPSS son más compactos, tienen mayor eficiencia energética y ofrecen una mejor calidad del haz que los modelos antiguos bombeados por lámpara de destello.
• Onda continua (CW): Emite un haz de luz láser continuo e ininterrumpido.
• Conmutación Q: Utiliza un conmutador óptico dentro del resonador para retener la luz hasta que se acumula una gran cantidad de energía, que se libera en pulsos extremadamente cortos y de alta potencia de pico (ideales para ablación o marcado).
• Bloqueo de modos: Produce pulsos ultracortos (picosegundos) con frecuencias de repetición extremadamente altas y se utiliza en aplicaciones científicas de gran precisión o en micromecanizado.

Aplicaciones

Gracias a su potencia, versatilidad y fiabilidad, los láseres Nd:YAG se utilizan ampliamente en numerosos sectores:

• Fabricación industrial: Corte, soldadura, grabado y marcado por láser de metales y plásticos.
• Medicina & estética: Cirugía ocular con láser (capsulotomía), ablación de tejidos y eliminación de tatuajes con láser.
• Investigación científica: Se utiliza como fuente de «bombeo» para alimentar otros tipos de láseres (como los láseres de Ti:zafiro) y en espectroscopia.
• Ámbito militar & defensa: Se utiliza en telémetros láser y sistemas de designación de blancos.

Ejemplo práctico: sistema industrial de marcado láser

Imagine una planta de fabricación que necesita grabar números de serie en piezas de acero para automóviles. El sistema utiliza un láser Nd:YAG DPSS con conmutación Q.

1. Generación: El diodo láser bombea continuamente el cristal de Nd:YAG, acumulando energía.
2. Conmutación Q: El conmutador Q interno impide que el láser se dispare hasta que se almacena la energía máxima. Luego se «abre» de forma súbita y libera un pulso localizado de luz infrarroja de 1064 nm con una duración de 100 nanosegundos.
3. Conducción & enfoque: El haz atraviesa un expansor de haz e incide en un conjunto de espejos galvanométricos motorizados (galvos) que dirigen rápidamente el haz. Por último, una lente de enfoque F-theta concentra el haz en un punto microscópico sobre la pieza de acero.
4. Resultado: La elevada potencia de pico del pulso enfocado vaporiza una fracción diminuta de la superficie del acero y graba el número de serie de forma permanente sin fundir ni deformar el metal circundante.