Láseres Nd:YAG: terminología y funcionalidad

Un láser Nd:YAG es un láser de estado sólido cuya línea de emisión principal es infrarrojo cercano de 1064 nm. El cristal anfitrión es el granate de itrio y aluminio. Típicamente, el 0,5% - 3% de los átomos de itrio es reemplazado por neodimio ("dopaje"). Este tipo de láser fue desarrollado en 1964 en los Laboratorios Bell. Junto con los láseres de CO2 y fibra, es uno de los tipos de láser más utilizados para el procesamiento industrial de materiales.

Para los láseres con una potencia de salida promedio de hasta aproximadamente 100 W, la excitación se realiza mediante láseres de diodo con una longitud de onda de 808 nm (láser bombeado por diodo). Los átomos de neodimio se excitan electrónicamente, o sea, sus electrones alcanzan el nivel de energía más alto absorbiendo la luz de la bomba. La energía almacenada en los átomos excitados es liberada nuevamente mediante emisión estimulada.

En la realización de un cuerpo de estado sólido como medio láser, generalmente el mayor desafío tecnológico es: que este cuerpo de estado sólido debe ser de alta pureza pero tener un dopaje selectivo y, en el mejor de los casos, monocristalino. También debe implementar la energía suministrada con la mayor eficiencia posible, minimizando así la pérdida de calor. Un láser de estado sólido puede ser destruido por su propia ganancia para una alta potencia de bombeo. Por lo tanto, el medio láser debe resistir la mayor densidad de energía posible.

La notación Nd:YAG significa que en un cristal de granate de itrio-aluminio (fórmula química: Y3Al5O12), los iones de itrio (símbolo químico: Y) han sido reemplazados por neodimio (símbolo químico: Nd). Con el láser Nd:YAG, el dopaje (grado de reemplazo) está entre 0,5% y 3%. Cuanto mayor sea el grado de dopaje, mayor será la potencia del láser, pero menor será la calidad del rayo. Este conflicto de objetivos vale para todos los láseres.

La energía se suministra ópticamente, es decir, el cristal Nd:YAG es iluminado. Los iones de neodimio (Nd3+) se excitan electrónicamente. Se utilizan como fuentes de bombeo lámparas de arco de criptón, lámparas halógenas, lámparas de flash de xenón, diodos de luz o diodos láser.

En resumen, estos últimos son diodos emisores de luz adecuados cuyas interfaces se han reflejado para que formen un resonador. Los diodos láser son, por lo tanto, láseres de semiconductor bombeados eléctricamente y extremadamente compactos (estos son un subgrupo de los láseres de estado sólido). La alta eficiencia de los propios diodos (de ahora en adelante, LED y diodos láser), la capacidad de control precisa y la vida útil mucho más larga en comparación con las lámparas, han aumentado en gran medida la popularidad del láser Nd:YAG, desplazando a las fuentes de bombeo de lámpara utilizadas anteriormente, al menos en el rango de potencia inferior.

La eficiencia óptica indica el cociente entre la potencia irradiada del láser y la potencia de luz suministrada. Si bien esto es solo alrededor del 2-4% para los láseres YAG bombeados por lámpara, los sistemas bombeados por diodos logran eficiencias ópticas del 30-50%. La menor pérdida de calor de los sistemas bombeados por diodo aumenta la vida útil del cristal y reduce el esfuerzo de refrigeración. Además, permiten mayores tasas de repetición (número de pulsos por segundo) en modo pulsante (por ejemplo, interruptor Q) y potencias pico de pulso.

Las nuevas geometrías de los resonadores en forma de disco ("láseres de disco" y "láseres slab") están reemplazando cada vez más a las barras cilíndricas "convencionales" Nd:YAG ("barras láser"), en las que el diámetro del cilindro es mucho más pequeño que la longitud. Por lo tanto, estas barras tienen un área superficial mucho más pequeña que un disco (es decir, el diámetro es mucho mayor que el espesor) de igual volumen. Las barras resonadoras cilíndricas son, por lo tanto, mucho más difíciles de refrigerar. Como el calor se puede disipar de manera mucho más eficiente con láseres de disco que con láseres de barra, también son posibles potencias de bombeo más altas, lo cual lleva finalmente a potencias láser más altas. Actualmente, en la industria se usan láseres de Nd:YAG con una potencia de salida continua de más de 10 kW.

La longitud de onda del láser Nd:YAG es casi 10 veces menor que la del láser de CO₂ (1064 micrones en comparación con 10,6 micrones). Una longitud de onda más corta permite focos significativamente más pequeños y, por lo tanto, intensidades más altas para la misma potencia en comparación con los láseres de CO₂. Esto, y la longitud de onda más corta absorbida por los metales, son una ventaja para la metalurgia.