Láseres: comprensión de los conceptos básicos

El dispositivo Q-switch real es un modulador acústico-óptico o un modulador electroóptico (EOM). Ambos utilizan cristales en los que un campo eléctrico aplicado produce alguna perturbación de las propiedades ópticas del cristal. En el caso de los moduladores acústico-ópticos, el campo eléctrico aplicado es un voltaje de radiofrecuencia que produce una onda sonora de alta frecuencia en el cristal. Esta onda sonora difracta los fotones del láser e impide la amplificación del láser. En cambio, los EOM utilizan un alto voltaje aplicado que modifica el índice de refracción del cristal y altera la polarización de la luz entrante; Se puede colocar una combinación adecuada de ópticas sensibles a la polarización en la cavidad para evitar que circule la luz de polarización alterada. Otros tipos de láseres, como los láseres excimer, no requieren un interruptor Q para producir pulsos de nanosegundos, sino que dependen de un transitorio. Pulso de bomba: Los pulsos de láser excimer se producen excitando la mezcla de gas noble y halógeno con una descarga eléctrica breve y potente. Los láseres de Ti:zafiro también pueden producir pulsos de nanosegundos si se bombean con un pulso de luz verde de nanosegundos producido por un láser YAG de conmutación Q de frecuencia duplicada. Este método se llama conmutación de ganancia porque se cambia directamente la ganancia de la cavidad en lugar de la pérdida de la cavidad. Además de una gran cantidad de aplicaciones industriales, los láseres de conmutación Q tienen aplicaciones importantes en la investigación científica. Uno es el bombeo de amplificadores ultrarrápidos de Ti:zafiro (descritos en la siguiente sección) mediante el uso de la salida de frecuencia duplicada (verde) de un Nd:YAG o Nd:YLF con conmutación Q a 1-10 kHz. Otro es utilizar el láser YAG o YLF para producir energías por pulso en el rango de julios entre 1 y 100 Hz. Estos láseres se utilizan a menudo con generadores ópticos no lineales que pueden producir longitudes de onda sintonizables en la región UV, visible e IR, lo que permite estudios resueltos en tiempo y longitud de onda. Hoy en día, la mayoría de los láseres YAG o YLF que funcionan a >100 Hz se bombean con diodos, mientras que los sistemas de alta energía de 10 Hz requieren bombeo con una lámpara de destellos porque los diodos no son adecuados para producir pulsos de salida de alta energía. Para algunas aplicaciones científicas, puede ser Es deseable tener un láser Q-Switched de ancho de línea estrecho. En algunos casos, esto se puede lograr utilizando una combinación de rejillas ópticas y etalones; en otros casos, el láser se puede “sembrar” con un láser de ancho de línea estrecho con conmutación Q o CW de baja potencia que es más fácil de controlar que la etapa de mayor potencia. Este enfoque, llamado "sembrando por inyección", utiliza un MOPA (oscilador maestro, amplificador de potencia), dividiendo conceptualmente la selección del ancho de línea y la generación de alta potencia en dos etapas diseñadas de manera óptima para los dos propósitos.Láseres ultrarrápidos Los láseres ultrarrápidos generalmente se definen como láseres que producen pulsos en el rango de 5 fs a 100 ps (1 femtosegundo = 10-15 segundos). Si un láser es capaz de oscilar en muchos modos longitudinales, estos pulsos cortos se pueden producir con la llamada técnica de bloqueo de modo. Con esta técnica, los modos están bloqueados en fase (régimen de bloqueo de modo) y su interferencia coherente hace que el campo óptico intracavidad colapse en un solo pulso que viaja hacia adelante y hacia atrás en la cavidad del láser. Cada vez que el pulso llega al espejo de salida, parte del mismo queda acoplado y disponible.

La física muestra que cuantos más modos interfieran, más corta será la duración del pulso (Figura 7). Dado que los anchos de banda láser más grandes admiten una mayor cantidad de modos de oscilación, la duración del pulso es inversamente proporcional al ancho de banda del material de ganancia del láser. En ausencia de dispersión, estos impulsos están limitados en cuanto al ancho de banda en el tiempo, es decir, tienen la longitud más corta posible para un ancho de banda determinado.

Los pulsos ultrarrápidos son de gran utilidad en la investigación; Gracias a la corta duración del pulso y la alta potencia máxima, la llegada de los láseres de femtosegundo en la década de 1990 permitió investigaciones innovadoras que condujeron a premios Nobel de femtoquímica (espectroscopia de sonda de bomba) y generación de peines ópticos. Los láseres de femtosegundo también han permitido técnicas de excitación multifotónica (MPE) que ofrecen imágenes tridimensionales de tejido vivo. Actualmente, el MPE se utiliza ampliamente en varias áreas de la investigación biológica, sobre todo en la neurociencia.

Muchas aplicaciones importantes requieren que los pulsos ultrarrápidos se amplifiquen utilizando uno de varios métodos, como la amplificación regenerativa o un enfoque de amplificador de potencia de oscilador maestro (MOPA). La amplificación de pulsos generalmente requiere una reducción en la tasa de repetición, por lo que un selector de pulsos selecciona los pulsos del oscilador que se amplificarán en una o más etapas de amplificación. En el caso de los láseres de femtosegundos, la elevada potencia máxima de los impulsos amplificados puede dañar la óptica del láser. Por este motivo, la amplificación suele ir precedida de un alargamiento del pulso (chirrido) de 50 a 200 ps. Luego, el pulso amplificado se vuelve a comprimir al dominio fs. Esto se conoce comúnmente como amplificación de pulso chirriado o CPA.

En la investigación científica, los pulsos ultrarrápidos amplificados se utilizan para una amplia gama de aplicaciones. Estos incluyen la fotoquímica, la espectroscopia de sonda de bomba, la generación de terahercios (THz) y la creación de electrones acelerados y otras pequeñas partículas cargadas. Los pulsos también pueden impulsar la generación no lineal de luz ultravioleta extrema con anchos de pulso de decenas de attosegundos.

En aplicaciones industriales, los pulsos ultrarrápidos amplificados se utilizan cada vez más en aplicaciones de procesamiento de materiales que requieren ablación o modificación de materiales sin ningún efecto térmico residual y/o en una escala espacial submicrónica. Los ejemplos incluyen el modelado de películas delgadas en la producción de pantallas planas. Los láseres ultrarrápidos también se utilizan cada vez más para cortar el vidrio templado de las pantallas táctiles, mediante un proceso llamado corte por filamento que no se puede realizar con otros láseres. Este método produce una calidad de borde inigualable y puede crear formas curvas y recortes.

Materiales láser ultrarrápidos

Hasta hace poco, los láseres científicos ultrarrápidos se han basado principalmente en titanio:zafiro (Ti:zafiro) debido a su gran ancho de banda y amplio rango de sintonización; Los láseres comerciales de Ti:zafiro llave en mano pueden emitir pulsos tan cortos como 6 fs. Los láseres de Ti:zafiro normalmente se bombean utilizando un láser de bombeo CW de longitud de onda verde. Las tasas de repetición típicas de los osciladores de Ti:zafiro son de 50 a 100 MHz, y potencias máximas de hasta varios cientos de kilovatios.

Los sistemas CPA más comunes basados ​​en Ti:zafiro funcionan de 1 a 10 kHz con las etapas del amplificador energizadas por láseres verdes de nanosegundos. Los sistemas CPA de Ti:sapphire son únicos en su capacidad de producir energías de pulso de varios milijulios con anchos de pulso tan cortos como 20 fs. Los sistemas CPA personalizados basados ​​en Ti:sapphire pueden producir potencias máximas de incluso petavatios.

Los láseres industriales ultrarrápidos suelen necesitar altas tasas de repetición y alta potencia para mantener un rendimiento económicamente viable en la aplicación. Hasta hace poco, la mayoría de ellos eran sistemas MOPA basados ​​en materiales a granel dopados con Nd (por ejemplo, YAG o vidrio) o fibra, o una combinación de ambos. Se ha demostrado que estos láseres y amplificadores proporcionan la combinación necesaria de potencia y confiabilidad industrial. Sin embargo, cuanto menor sea el ancho de banda de ganancia de Nd, significa que están limitados al régimen ps. Su alta potencia máxima y sus altas tasas de repetición encuentran aplicabilidad en aplicaciones de micromecanizado de precisión, particularmente para películas delgadas y/o para materiales resistentes como el vidrio químicamente reforzado, utilizando el método de filamentación que acabamos de mencionar.

Figura 7.Cuando interfiere una gran cantidad de modos láser que tienen un "cero" en la misma posición, la superposición resultante es un pulso extremadamente estrecho.

En los últimos 10 años, los láseres de femtosegundo y los amplificadores que utilizan iterbio (Yb) están disponibles para satisfacer las necesidades cambiantes del mercado tanto en el sector científico como en el industrial. Un ejemplo es la serie Monaco de amplificadores monobloque de Coherent.

Los materiales dopados con Yb combinan hasta cierto punto las ventajas de los láseres científicos de Ti:zafiro y los láseres industriales basados ​​en Nd. Para la investigación científica, el ancho de banda de ganancia de Yb significa que los pulsos del oscilador pueden ser tan cortos como 50 fs, lo cual es más que adecuado para muchas aplicaciones, particularmente en microscopía MPE. A diferencia del Ti:zafiro, el Yb se puede bombear directamente con diodos y usarse en formato de fibra, lo que permite un rendimiento más escalable que los materiales de ganancia masiva que a menudo están limitados por problemas de enfriamiento y lentes térmicos. Esto significa que los amplificadores tipo MOPA de fibra Yb pueden ofrecer velocidades de repetición flexibles de hasta decenas de MHz. Cuando se utiliza para bombear dispositivos ópticos paramétricos, la salida resultante es totalmente ajustable desde longitudes de onda UV a IR media, lo que proporciona ventajas para aplicaciones como la espectroscopia de materiales avanzados o la obtención de imágenes biológicas funcionales. Cabe señalar que para aplicaciones científicas que necesitan anchos de pulso extremadamente cortos (>6 fs) y/o energías de pulso altas, el Ti:zafiro sigue siendo actualmente el material de ganancia preferido, y ambos medios coexistirán en el futuro previsible.

Para aplicaciones industriales, el principal atractivo de los amplificadores de fibra Yb es la combinación de una potencia máxima alta y una potencia promedio alta en el régimen de femtosegundos, a diferencia de los sistemas Nd con anchos de pulso de picosegundos. Los pulsos láser de femtosegundos tienen dos ventajas sobre los pulsos de picosegundos para el procesamiento de materiales. Primero, la interacción del material involucra muchos fotones simultáneos y se vuelve razonablemente insensible a la longitud de onda, a diferencia de la absorción lineal de nanosegundos. En segundo lugar, los pulsos cortos y la interacción no lineal significan que los pulsos fs pueden ofrecer una calidad y precisión de borde aún mejores que los pulsos ps. Como resultado, los amplificadores de fibra Yb están encontrando rápidamente aplicaciones en el micromecanizado de sustratos de capas mixtas (por ejemplo, poliimida sobre vidrio) como los que se encuentran en la electrónica y las pantallas.

Duplicación de frecuencia y generación de armónicos. Incluso con la amplia variedad de láseres disponibles comercialmente, no siempre es posible encontrar uno que coincida exactamente con la longitud de onda requerida por una aplicación específica. Los láseres de Ti:zafiro son ampliamente sintonizables, pero en la mayoría de los casos, son demasiado complejos para aplicaciones industriales y no pueden alcanzar la importante región UV del espectro. Los OPSL son simples y pueden diseñarse en muchas longitudes de onda en la región de 920 a 1160 nm, pero no son ideales para operación pulsada. Para lograr la longitud de onda deseada en casi cualquier régimen de operación (CW, pulsado o ultrarrápido), los procesos de conversión de frecuencia armónica y generación paramétrica brindan flexibilidad de longitud de onda cuando se usan junto con los láseres descritos hasta ahora. Todos estos procesos están relacionados y se denominan fenómenos no lineales ya que dependen de forma no lineal de la potencia máxima del láser. Es decir, son proporcionales al cuadrado, a un tercio o a una potencia superior de la potencia de salida del láser. En términos simples, cuando un rayo láser intenso y/o muy enfocado pasa a través de un cristal adecuado, su campo eléctrico oscilante interactúa con los electrones de el cristal de varias maneras. Uno de estos mecanismos distorsiona la nube de electrones en el cristal, polarizando así los átomos a una frecuencia igual a la del rayo láser, pero también a una frecuencia doble (polarización no lineal). Esta frecuencia corresponde a una longitud de onda que es la mitad que la del láser entrante. La polarización no lineal es mucho menor que el término lineal, pero depende del cuadrado de la potencia del láser, por lo que aumenta con más fuerza en presencia de un pulso láser intenso. Genera un campo óptico al doble de la frecuencia del rayo láser original, con el resultado de que parte de la potencia del láser entrante se convertirá a la mitad de la longitud de onda original (generación de segundo armónico (SHG) o duplicación de frecuencia) (Figura 9). Dado que es necesario conservar la energía, cualquier ganancia en el haz SHG se intercambia por una disminución en la potencia del haz original. En algunos casos, es posible lograr una conversión casi total del haz original (“fundamental”) en su segundo armónico. Los cristales comunes para SHG son BBO, LBO y KDP. El ejemplo más común de SHG es la conversión de una salida IR de láser basado en Nd a 1064 nm en una salida verde a 532 nm (verde), que constituye la longitud de onda visible más popular, utilizada ubicuamente para bombear láseres de Ti:zafiro.

Los OPO de nano, pico y femtosegundos son dispositivos complejos que se implementan junto con láseres de bombeo pulsados ​​y ultrarrápidos. Las OPO de CW son igualmente complejas, si no más. Los OPA son más fáciles de diseñar y construir, pero requieren una bomba más energética para producir luz blanca y amplificación de una sola pasada en el cristal. Por esta razón, son bombeados por amplificadores CPA de pico o femtosegundos que producen al menos varios microjulios. La adición a un OPA/OPO de una o más etapas de generación de armónicos y mezcla produce un rango de longitudes de onda que puede cubrir de 200 nm a 20 µm.Tipos de láser comunes Durante muchos años, el láser CW más común fue el láser de helio neón o HeNe. Estos láseres de baja potencia (unos pocos milivatios) utilizan una descarga eléctrica para crear un plasma de baja presión en un tubo de vidrio; Casi todos emiten en rojo a 633 nm. En los últimos años, la mayoría de las aplicaciones de HeNe han cambiado a diodos láser visibles. Las aplicaciones típicas incluyen lectores de códigos de barras, tareas de alineación en las industrias de la construcción y la madera, y una serie de aplicaciones de puntería y puntería que van desde cirugía médica hasta física de alta energía. De hecho, el diodo láser se ha convertido, con diferencia, en el tipo de láser más común, con uso verdaderamente masivo en telecomunicaciones y almacenamiento de datos (por ejemplo, DVD, CD). En un diodo láser, el flujo de corriente crea portadores de carga (electrones y huecos) en una unión pn. Estos se combinan y emiten luz mediante emisión estimulada. Los diodos láser están disponibles como emisores individuales con potencias de hasta decenas de vatios y como barras lineales monolíticas con numerosos emisores individuales. Estas barras se pueden ensamblar en matrices 2D con potencias de salida totales en el rango de kilovatios. Se utilizan tanto en funcionamiento CW como pulsado para las llamadas aplicaciones de diodo directo. Pero lo que es aún más importante, los diodos láser ahora sustentan muchos otros tipos de láseres, donde se utilizan como bombas ópticas que realizan la conversión inicial de energía eléctrica a óptica. Por ejemplo, las aplicaciones CW visibles y UV de mayor potencia fueron originalmente soportadas por argón. Láseres de iones y de iones de criptón. Basados ​​en un tubo de descarga de plasma que funciona a alta corriente, estos láseres de fase gaseosa son grandes e ineficientes y generan una gran cantidad de calor que debe disiparse activamente. El tubo también tiene una vida útil limitada y, por tanto, representa un consumible costoso. En la mayoría de las aplicaciones anteriores, el láser de iones que emitía en longitudes de onda azul o verde era desplazado por láseres DPSS. En este caso, el medio de ganancia es un cristal dopado con neodimio (normalmente Nd:YAG o Nd:YVO4) bombeado por uno o más diodos láser. Luego, la fundamental del IR cercano a 1064 nm se convierte en una salida verde de 532 nm con el uso de un cristal de duplicación intracavidad. El láser DPSS, a su vez, ha sido desafiado por varias tecnologías más nuevas, siendo el OPSL la más exitosa de ellas. En este caso, el medio de ganancia es un láser semiconductor de gran superficie que es bombeado por uno o más diodos láser. El OPSL ofrece numerosas ventajas, entre las que destacan la longitud de onda y la escalabilidad de potencia. Específicamente, estos láseres pueden diseñarse para operar prácticamente en cualquier longitud de onda visible, liberando por fin a las aplicaciones de las restricciones de las opciones limitadas de longitudes de onda heredadas (es decir, 488 y 514 nm de los láseres de iones de argón y 532 nm de los láseres YAG de frecuencia duplicada). . De hecho, los OPSL representan un cambio de paradigma en los láseres porque pueden diseñarse para las necesidades de la aplicación y no al revés. OPSL es ahora una tecnología líder en aplicaciones de bioinstrumentación de baja potencia, sobre todo a 488 nm; La escalabilidad de energía y el bajo ruido inherente de la tecnología OPSL están haciendo que los OPSL verdes y amarillos multivatios se incorporen con fuerza a otras aplicaciones, incluidas la investigación científica, la ciencia forense, la oftalmología y los espectáculos de luces. Si bien YAG y otros hosts de cristal de neodimio se prestan para operar en CW, Las operaciones con conmutación Q y modo bloqueado, los diodos láser, OPSL y los láseres de iones no admiten la operación con conmutación Q y prácticamente no se utilizan en régimen de modo bloqueado. En longitudes de onda más largas, los láseres de dióxido de carbono (CO2), que utilizan descarga de plasma tecnología, emiten en el infrarrojo medio alrededor de 10 µm. La mayoría son CW o pseudo-CW, con potencias de salida comerciales que van desde unos pocos vatios hasta varios kilovatios. Una tecnología similar es el láser de monóxido de carbono (CO), que se desarrolló originalmente en la década de 1960, pero que no se volvió realmente práctico para uso industrial hasta 2015. Los láseres de CO emiten en el rango espectral de 5 a 6 µm. Esta salida de infrarrojo medio de longitud de onda más corta ofrece dos ventajas importantes para algunas aplicaciones en comparación con los láseres de CO2. La primera es que muchos metales, películas, polímeros, dieléctricos de PCB, cerámicas y compuestos exhiben una absorción significativamente diferente en la longitud de onda más corta, lo que a veces puede aprovecharse. La segunda es que pueden enfocarse en tamaños de puntos más pequeños debido a la difracción, que escala linealmente con la longitud de onda. Juntas, estas características permiten que el láser de CO ofrezca resultados superiores en algunas aplicaciones de procesamiento de vidrio, corte de películas y trazado de cerámica. Otra tecnología importante es el láser de fibra, que puede funcionar en formatos CW, Q-switched y modo bloqueado y normalmente emite a aproximadamente 1 μm (cuando la fibra está dopada con iterbio). En un láser de fibra, el resonador está formado por una gran área modal, fibra óptica de doble revestimiento (con el revestimiento exterior que contiene el dopante) y rejillas de fibra de Bragg para espejos resonadores. Esto es bombeado desde cada extremo por una serie de láseres de diodo, cuyas salidas están acopladas por fibra a la fibra de ganancia.

El láser de fibra ofrece varias ventajas importantes. La primera es que la salida se entrega naturalmente a través de fibra, lo que facilita el acoplamiento a muchas máquinas herramienta láser y la integración del láser con sistemas de entrega robóticos. A continuación, la calidad del haz de láser de fibra es suficiente para acoplarlo en fibras pequeñas, lo que permite enfocar el haz en puntos pequeños para obtener las altas densidades de potencia necesarias para la soldadura, el corte y otros procesos industriales de metales. La arquitectura del láser de fibra también se presta al escalamiento de potencia. Un solo conjunto de bombas y fibra de ganancia normalmente puede producir potencias de salida de hasta varios kilovatios, pero también es posible utilizar combinadores de fibra para permitir el escalamiento de potencia, logrando potencias de salida superiores a 10 kW. Finalmente, los láseres de fibra tienen una alta eficiencia de conexión a la pared (la conversión de la energía eléctrica de entrada en luz láser) en comparación con los láseres de CO2 y de estado sólido, y también pueden tener bajos requisitos de mantenimiento. Esto reduce el costo de propiedad.

Los láseres de Nd:YAG, CO2, fibra y diodo directo son los caballos de batalla de las aplicaciones de láser industrial. Los láseres de diodo directo, en particular, ofrecen el costo por vatio más bajo de cualquier tipo de láser industrial, así como los costos operativos más bajos, debido a su alta eficiencia eléctrica. Los láseres de diodo directo sirven principalmente para aplicaciones de bajo brillo, como tratamientos térmicos, revestimientos y algunas aplicaciones de soldadura. En el lado negativo, los diodos o conjuntos láser de alta potencia no pueden ofrecer nada parecido al haz de difracción limitada proporcionado por otros tipos de láser. La llegada de la tecnología de descarga en placa ha permitido reducir considerablemente la relación tamaño:potencia de los láseres de CO2. aumentando su utilidad en aplicaciones de subkilovatios. Los diseños de guías de onda de bajo costo también respaldan un mercado saludable para los láseres de CO2 con potencias de decenas de vatios, principalmente en aplicaciones de marcado y grabado.

Durante la última década, los láseres de fibra de alta potencia (>1 kW) han llegado a dominar las aplicaciones de corte de metales en el rango de espesor de 4 a 6 mm porque normalmente ofrecen excelentes resultados, junto con menores costos de mantenimiento que los láseres de CO2 de potencia similar. . Además, los láseres de fibra de infrarrojo cercano son ventajosos al cortar ciertos metales, como cobre, aluminio y latón, que son difíciles de cortar con CO2 debido a su alta reflectividad en el infrarrojo lejano.

Los láseres de CO2 se siguen utilizando para materiales aún más gruesos, pero esto se debe principalmente a que los procesos se han optimizado para este láser y los fabricantes tardan en cambiar un proceso de producción que funciona bien. Sin embargo, es probable que esto cambie con el tiempo. Los láseres de CO2 de 1 kW o menos todavía se utilizan en algunas aplicaciones de corte de metales más delgados (de 2 a 4 mm). Y los láseres de CO2 siguen siendo la primera opción cuando se deben procesar tanto metales como no metales. Esto se debe a que su longitud de onda más larga es bien absorbida por una amplia gama de materiales no metálicos, incluidos madera, papel, cuero, tela, plásticos y muchos otros materiales orgánicos, mientras que la salida del láser de fibra de infrarrojo cercano no lo es.

Nd:YAG puede ofrecer una potencia máxima alta para aplicaciones de procesamiento de materiales, como la soldadura de metales. En estas aplicaciones industriales pesadas, la potencia bruta es más importante que la calidad del haz y, durante muchos años, estos láseres se bombearon mediante lámparas. Pero las características cada vez mayores de potencia y vida útil de los diodos láser están provocando que estos láseres cambien al bombeo por diodos; es decir, láseres DPSS. Por el contrario, los láseres DPSS con conmutación Q de menor potencia suelen basarse en Nd:YVO4. Por lo general, están optimizados para una alta calidad de haz para aplicaciones de micromecanizado y microestructuración con altas tasas de repetición (hasta 250 kHz) para admitir procesos de alto rendimiento. Están disponibles con potencias de hasta decenas de vatios con la opción de salida de infrarrojo cercano (1064 nm), verde (532 nm) o UV (355 nm). Los rayos UV son populares para producir pequeñas características en materiales "delicados" porque pueden enfocarse en un punto pequeño y minimizan el daño térmico periférico. Las versiones de UV profundo (266 nm) están comenzando a usarse en algunas aplicaciones, pero su costo relativamente alto y la necesidad de ópticas de emisión de haz especiales hacen que muchas aplicaciones potenciales dependan en cambio de láseres de 355 nm optimizados para una duración de pulso corta, que puede producen resultados similares en muchos materiales. Los excímeros representan otra importante tecnología de láser pulsado. Pueden producir varias longitudes de onda discretas en todo el espectro ultravioleta; Dependiendo de la combinación de gases, la emisión oscila entre 157 y 348 nm. La línea UV profunda a 193 nm es la fuente más utilizada para procesos de litografía en la industria de los semiconductores. La longitud de onda de 308 nm se utiliza para recocer silicio en pantallas de alto rendimiento. La misma longitud de onda también es clave para generar una superficie única de larga duración en las camisas de los cilindros de los motores diésel de alto rendimiento. Y, por último, los excímeros tienen una capacidad única para producir pulsaciones de alta energía: hasta un julio por pulsación. Esto permite la escritura directa de circuitos electrónicos de bajo costo para aplicaciones como productos médicos desechables. Los láseres ultrarrápidos para aplicaciones científicas están dominados por Ti:zafiro, como ya se describió. Los láseres ultrarrápidos también son una tecnología de rápido crecimiento para el micromecanizado y otras aplicaciones de procesamiento de materiales de alta precisión. Si bien existe cierta diversidad en la forma y construcción de los láseres industriales ultrarrápidos disponibles comercialmente, todos utilizan una determinada configuración básica. Específicamente, se utiliza un oscilador de modo bloqueado pasivamente para generar salida con anchos de pulso de aproximadamente 10 ps o menos que son necesarios para impulsar la fotoablación. Sin embargo, la mayoría de los osciladores de modo bloqueado producen pulsos de energía relativamente bajos (en el rango de nanojulios) a velocidades de repetición de decenas de megahercios. Los mejores resultados para el micromecanizado se logran cuando la superposición de pulso a pulso está en el rango del 50% al 70%. En otras palabras, el mecanismo de desviación del haz mueve el haz aproximadamente un tercio de su diámetro antes de la llegada del siguiente pulso ultrarrápido. En consecuencia, una tasa de repetición en el rango de decenas de megahercios es demasiado alta para usarse con la tecnología de escaneo existente, por lo que un selector de pulsos selecciona una fracción de estos pulsos. Luego, la energía de estos pulsos se aumenta en un amplificador para producir la salida final. La mayoría de los productos comerciales de picosegundos se basan en una de las siguientes arquitecturas: • Un oscilador láser de fibra seguido de un amplificador de tipo fibra o varilla. • Un oscilador láser de fibra seguido de un amplificador de espacio libre. • Le sigue un oscilador de estado sólido bombeado por diodos. mediante un amplificador de espacio libre. El enfoque totalmente de fibra (oscilador y amplificador) tiene la ventaja de ser de costo relativamente bajo y tiene el potencial de ser robusto. El gran aspecto negativo es que las no linealidades, la dispersión y otros efectos en el amplificador de fibra limitan la energía máxima por pulso que se puede alcanzar a aproximadamente 10 µJ (con un ancho de pulso de 10 ps). Este nivel de energía de pulso puede adaptarse a algunas aplicaciones, pero una gran cantidad de aplicaciones funcionan con energías de pulso en el rango de 100 µJ. Se pueden usar fibras especiales para aumentar el modo dentro de la fibra y así permitir energías de pulso más grandes, pero dichas fibras conducen a radios de curvatura limitados y, por lo tanto, conllevan sus propias limitaciones de embalaje. Para lograr las energías de pulso más altas requeridas para la mayoría de las aplicaciones, se puede acoplar un oscilador de fibra con un amplificador de espacio libre. Debido a la producción de energía relativamente baja de la semilla de fibra, a menudo se utiliza un amplificador regenerativo. En un amplificador regenerativo, un impulso pasa por un gran número de pasos y, por tanto, puede amplificarse sustancialmente. Los amplificadores regenerativos también tienen la ventaja de ser compactos y ofrecer un buen rendimiento del haz. El tercer enfoque consiste en utilizar un oscilador de estado sólido bombeado por diodos (normalmente con Nd:YVO4 como medio de ganancia), que puede producir energías de pulso más altas que una semilla de fibra. A esto le sigue un amplificador de espacio libre, normalmente en una configuración regenerativa o de múltiples pasos. De hecho, más de una etapa amplificadora puede aumentar la potencia a niveles tan altos como 100 W. Y, finalmente, existen muchos otros tipos de láseres exóticos y de nicho que están más allá de la cobertura de este artículo general. Los ejemplos incluyen los láseres Raman utilizados en telecomunicaciones, los láseres de cascada cuántica utilizados en algunas aplicaciones de detección de gases y los láseres químicos, que tienden a limitarse a programas militares.