Físico Brasileño Produce un Láser Compacto con Alta Eficiência
Hola lector!
A continuación se muestra un artículo publicado ayer (20/08)
em website en español de la "Agencia FAPESP”, señalando que Físico Brasileño produce un Láser Compacto
con alta eficiência.
Duda Falcão
Artículos
Físico Brasileño Produce un Láser
Compacto con Alta Eficiência
Por José Tadeu Arantes
20 de agosto de 2015
(Foto: IPEN)
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.
|
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.
Fuente: Sitio web de la Agencia FAPESP
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