Tipos de láseres

Desde que el 16 de Mayo de 1960 Theodore H “Ted” Maiman consiguiera hacer funcionar por primera vez un láser, en concreto un láser de rubí, en el Hughes Research Laboratories en Malibú (USA) la tecnología láser ha avanzado, y de hecho sigue avanzando, de forma incesante. Nuevos medios activos con mejores propiedades y emisiones en zonas del espectro electromagnético no alcanzadas hasta ahora, óptica más precisa y duradera, o sistemas láser de más potencia, son desarrollados continuamente tanto por compañías comerciales como por laboratorios de investigación. En este contexto, es un hecho que la tecnología que disponemos hoy en día será ampliamente mejorada en un horizonte de 10 años vista.

Para no perder el norte ante tantas novedades es importante tener claro los distintos tipos de láseres así como sus características más importantes. Una posible clasificación se podría hacer en función de la longitud de onda de emisión, o en función del tipo de medio activo. Sin embargo, los que trabajamos en interacción láser-materia preferimos una clasificación en función de la intensidad pico (potencia/área) que el sistema láser puede alcanzar, ya que ésta define los tipos de procesos que tendrán lugar en la interacción.
Pero paso a paso. Lo primero que tenemos que tener claro es que los láseres pueden ser continuos o pulsados. Los láseres continuos (CW lasers) están emitiendo de forma continua, valga la redundancia, radiación electromagnética, mientras que los pulsados (pulsed lasers) emiten pulsos de luz (lo podemos ver como “balas de luz”) con una duración temporal fija a una determinada tasa de repetición (número de pulsos por segundo).
Teniendo en cuenta que la intensidad es proporcional a la potencia, y que la potencia es la energía dividida por el tiempo, no es difícil imaginar que las intensidades picos generados por los láseres CW son muy bajas (del orden de cientos de MW/cm²). De forma muy general, a estas intensidades la interacción láser-materia es análoga al efecto fotoeléctrico: sólo si la energía de los fotones es superior al potencial de ionización del átomo o la molécula, se producirá su ionización. De hecho las ecuaciones que describen la interacción son las «Einstein rate equations», no siendo necesario tener en cuenta la Mecánica Cuántica.

Sin embargo para los láseres pulsados la cosa no resulta tan sencilla. En 1962 R.W. Hellwarth y F.J. McClung demostraron experimentalmente la técnica de Q-switching, propuesta en 1958 por Gordon Gould, la cual permitió por primera vez la consecución de láseres pulsados, concretamente láseres de nanosegundo (1 ns=10^-9 s) y potencias picos del orden de GW/cm².
De forma muy sencilla, la técnica de Q-switching consiste en modificar la calidad del resonador láser permitiendo la acumulación de energía en él. Cuando no es posible acumular más energía, ésta se libera en un instante determinado consiguiendo pulsos de luz. A estas intensidades es posible la absorción simultánea de más de un fotón, siendo necesario el uso de la Mecánica Cuántica para una descripción correcta de la interacción láser-materia. En este contexto es importante darse cuenta de que el término “radiación ionizante” pierde su sentido. Toda radiación de cualquier longitud de onda puede ser potencialmente ionizante si la intensidad pico es lo suficientemente elevada como para permitir la absorción de varios fotones simultáneamente hasta superar el potencial de ionización.
La consecución de pulsos más cortos, pulsos de picosegundos (10^-12 s) y femtosegundos (10^-15 s), y por tanto con una mayor potencia pico, tuvo que esperar hasta 1963 cuando Logan E. Hargrove, Richard L. Fork y M.A. Pollack demostraron por primera vez la técnica de “mode-locking”. De forma general, toda función temporal puede ser descrita mediante sus componentes espectrales (sus frecuencias) usando análisis de Fourier, siendo mayor el número de frecuencias que tenemos que considerar cuanto menor sea la duración temporal de la función a describir. Igual sucede con los pulsos láser: cuanto menor es la duración temporal del pulso, mayor es el número de frecuencias (lo que se llama “laser bandwidth”) que el pulso contiene. Mediante la técnica de “mode-locking” se consigue “lockear” o poner en fase un número máximo de frecuencias en el cavidad del sistema consiguiendo por tanto pulsos ultracortos. Las potencia pico de los pulsos obtenidos mediante esta técnica se aproximan a la unidad atómica de intensidad (8.825^.10¹⁷ W^.cm^-2). Es decir, la interacción laser-materia no sólo tiene lugar con los electrones del átomo sino que es posible distorsionar el potencial de Coulomb generado por el núcleo atómico induciendo fenómenos como “tunneling ionization” o “over barrier ionization”.
Es interesante destacar que los láseres ultracortos no sólo inducen nuevos fenómenos por sus enormes intensidades pico, sino también por sus tiempos de interacción ultracortos. Por ejemplo, las vibraciones típicas de las moléculas se dan en decenas de femtosegundos lo que resulta “lento” para los láseres de pocos femtosegundos que disponemos hoy en día, siendo posible por tanto un estudio muy detallado de la dinámica molecular.
Otro ejemplo muy ilustrativo de la importancia de los tiempos de escala en los procesos de interacción láser-materia lo tenemos en la interacción con sólidos. Para que haya una disipación de calor efectiva la energía depositada por el láser tiene que transmitirse a la red cristalina, es decir, es necesario la activación de los fonones (modos de vibración) de la red. Estos fonones se activan en tiempos de escala de cientos de femtosegundos-picosegundos. Por tanto los láseres de femtosegundos “no calientan” la materia, no “la funden”, sino que “la subliman”. Esto es extremadamente importante cuando es necesario mucha precisión en un corte. Imaginemos un cirujano con un bisturí láser que quiere cortar el tejido dañado pero dejando intacto el tejido sano.
Reducir aún más la duración temporal de los pulsos hasta attosegundos (10^-18 s) o zeptosegundos (10^-21 s) es extraordinariamente complejo. Pulsos tan cortos conllevan “bandwiths” enormes y hoy por hoy no hay ningún medio activo que proporcione tales anchos de banda. Es cierto que mediante técnicas como “High Harmonic Generation” es posible sintetizar pulso de attosegundos, pero experimentalmente es muy compleja tanto la generación como la caracterización de estos pulsos.
Una vez que hemos llegado a lo que hoy por hoy es tecnológicamente posible en términos de duración temporal, la ruta para obtener mayores intensidades pico pasa por conseguir mayores energías por pulso. Pero esto presenta un problema técnico importante: la óptica de un láser (espejos, lentes, etc) tiene un cierto umbral de daño que si se supera resulta fatal para estos elementos. ¿Cómo podemos por tanto aumentar la energía por pulso sin dañar la óptica del sistema?
La respuesta vino en 1995 cuando Gerard Mourou y Donna Strickland trabajando en la Universidad de Michigan co-inventaron la técnica “chirped pulse amplification” (CPA), que es una idea ciertamente elegante. Como la potencia es energía dividido por tiempo, para no sobrepasar el umbral de daño de los materiales, el pulso láser se “estira” temporalmente pasando de femtosegundos a cientos de picosegundos. Una vez “estirado” se amplifica, “recomprimiéndolo” temporalmente en una última etapa hasta su duración temporal original.
Mediante la técnica de CPA, u otras versiones parecidas pero todas manteniendo los mismo principios, se puede alcanzar potencias picos enormes. El récord de potencia lo tiene actualmente el láser de petavatio (1 PW=10¹⁵ W) Hercules de la Universidad de Michigan con 10²² W^.cm^-2. La Física con estás potencias tan descomunales es por supuesto relativista, dando lugar a fenómenos como la aceleración de partículas cargadas que tanta expectación están levantando en el mundo de la biomedicina (ver posts anteriores).

También, y esto es algo en lo que personalmente tengo muchas esperanzas, en el campo de Física de Partículas se están abriendo nuevas líneas. La idea a grandes rasgos es compensar las bajas probabilidades de los procesos en este campo con el enorme número de fotones que estos láseres tienen (del orden de 10²⁰) y así entrar en el umbral de detección de los sistemas experimentales. Propuestas como estudiar la dinámica del vacío o la detección de neutrinos mediante láser, aunque hoy por hoy puedan resultar ciencia ficción, puede que no lo sean en un futuro muy pero que muy cercano. Sin ir más lejos, en diciembre en mi centro, el Centro Láseres Pulsados, tendrá lugar una conferencia para explorar nuevos caminos en Física Atómica y Nuclear utilizando láseres. Por supuesto, ¡estáis todos invitados!

En resumen, aunque se puedan clasificar los láseres de muchas formas distintas parece lo más acertado hacerlo en función de su interacción con la materia y no en función de su longitud de onda de emisión.
Finalizo el post como un cuadro resumen y, como siempre, si tenéis alguna duda intentaré resolverla en los comentarios del post. ¡Hasta otra!