Láser rubí

Un láser de rubí es un láser de estado sólido que utiliza un cristal de rubí sintético como medio de ganancia. El primer láser funcional fue un láser de rubí fabricado por Theodore H. "Ted" Maiman en los Laboratorios de Investigación Hughes el 16 de mayo de 1960.

Los láseres de rubí producen pulsos de luz visible coherente con una longitud de onda de 694,3 nm, que es un color rojo intenso. La duración típica de los pulsos de láser de rubí es del orden de un milisegundo.

Un láser de rubí generalmente consiste en una varilla de rubí que debe ser bombeada con una energía muy alta, generalmente desde un tubo de destello, para lograr una inversión de población. La varilla a menudo se coloca entre dos espejos, formando una cavidad óptica, que hace oscilar la luz producida por la fluorescencia del rubí, causando una emisión estimulada. El rubí es uno de los pocos láseres de estado sólido que producen luz en el rango visible del espectro, con una emisión láser a 694,3 nanómetros, en un color rojo intenso, con un ancho de línea muy estrecho de 0,53 nm.

El láser de rubí es un láser de estado sólido de tres niveles. El medio láser activo (medio de ganancia/amplificación del láser) es una varilla de rubí sintética que se activa mediante bombeo óptico, normalmente mediante un tubo de destello de xenón. El rubí tiene bandas de absorción muy amplias y potentes en el espectro visual, a 400 y 550 nm, y una vida útil de fluorescencia muy larga de 3 milisegundos. Esto permite un bombeo de energía muy alta, ya que la duración del pulso puede ser mucho más larga que con otros materiales. Si bien el rubí tiene un perfil de absorción muy amplio, su eficiencia de conversión es mucho menor que la de otros medios.

En los primeros ejemplos, los extremos de la varilla debían pulirse con gran precisión, de modo que los extremos de la varilla fueran planos con una precisión de un cuarto de la longitud de onda de la luz emitida y paralelos entre sí con una precisión de unos pocos segundos de arco. Los extremos finamente pulidos de la varilla se plateaban; un extremo completamente, el otro solo parcialmente. La varilla, con sus extremos reflectantes, actúa entonces como un etalón de Fabry-Pérot (o un etalón de Gires-Tournois). Los láseres modernos suelen utilizar varillas con revestimientos antirreflejos o con los extremos cortados y pulidos en el ángulo de Brewster. Esto elimina los reflejos de los extremos de la varilla. A continuación, se utilizan espejos dieléctricos externos para formar la cavidad óptica. Los espejos curvos se utilizan normalmente para relajar las tolerancias de alineación y formar un resonador estable, que a menudo compensa el efecto de lente térmica de la varilla.

El rubí también absorbe parte de la luz en su longitud de onda láser. Para superar esta absorción, es necesario bombear toda la longitud de la varilla, sin dejar zonas sombreadas cerca de los soportes. La parte activa del rubí es el dopante, que consiste en iones de cromo suspendidos en un cristal de zafiro sintético. El dopante a menudo comprende solo alrededor del 0,05% del cristal, pero es responsable de toda la absorción y emisión de radiación. Dependiendo de la concentración del dopante, el rubí sintético suele ser rosa o rojo.

Una de las primeras aplicaciones del láser de rubí fue en la medición de distancias. En 1964, los láseres de rubí con interruptores q de prisma rotatorio se convirtieron en el estándar para los telémetros militares, hasta la introducción de los telémetros Nd:YAG más eficientes una década después. Los láseres de rubí se utilizaron principalmente en investigación. El láser de rubí fue el primer láser utilizado para bombear ópticamente láseres de colorante sintonizables y es particularmente adecuado para excitar colorantes láser que emiten en el infrarrojo cercano. Los láseres de rubí rara vez se utilizan en la industria, principalmente debido a su baja eficiencia y bajas tasas de repetición. Uno de los principales usos industriales es la perforación de agujeros a través del diamante, porque el haz de alta potencia del rubí coincide estrechamente con la amplia banda de absorción del diamante (la banda GR1) en el rojo.

Los láseres de rubí han disminuido su uso con el descubrimiento de mejores medios de emisión láser. Todavía se utilizan en diversas aplicaciones en las que se requieren pulsos cortos de luz roja. Los holografistas de todo el mundo producen retratos holográficos con láseres de rubí, en tamaños de hasta un metro cuadrado. Debido a su alta potencia de pulso y buena longitud de coherencia, la luz láser roja de 694 nm se prefiere a la luz verde de 532 nm de Nd:YAG de frecuencia duplicada, que a menudo requiere múltiples pulsos para hologramas grandes. Muchos laboratorios de pruebas no destructivas utilizan láseres de rubí para crear hologramas de objetos grandes, como neumáticos de aviones, para buscar debilidades en el revestimiento. Los láseres de rubí se utilizaron ampliamente en tatuajes y eliminación de vello, pero están siendo reemplazados por láseres de alejandrita y Nd:YAG en esta aplicación.

El láser de rubí fue el primer láser que se puso en funcionamiento. Construido por Theodore Maiman en 1960, el dispositivo se creó a partir del concepto de un "máser óptico", un máser que podía operar en las regiones visibles o infrarrojas del espectro.

En 1958, después de que el inventor del máser, Charles Townes, y su colega, Arthur Schawlow, publicaran un artículo en la revista Physical Review sobre la idea de los máseres ópticos, comenzó la carrera para construir un modelo funcional. El rubí se había utilizado con éxito en máseres, por lo que era la primera opción como posible medio. Mientras asistía a una conferencia en 1959, Maiman escuchó un discurso pronunciado por Schawlow, en el que describía el uso del rubí como medio láser. Schawlow afirmó que el rubí rosa, al tener un estado de energía más bajo que estaba demasiado cerca del estado fundamental, requeriría demasiada energía de bombeo para el funcionamiento del láser, por lo que sugirió el rubí rojo como una posible alternativa. Maiman, que había trabajado con rubí durante muchos años y había escrito un artículo sobre la fluorescencia del rubí, consideró que Schawlow estaba siendo "demasiado pesimista". Sus mediciones indicaron que el nivel de energía más bajo del rubí rosa podía al menos agotarse parcialmente si se lo bombeaba con una fuente de luz muy intensa y, como el rubí estaba fácilmente disponible, decidió probarlo de todos modos.

A la conferencia también asistió Gordon Gould, quien sugirió que, al pulsar el láser, se podrían producir picos de potencia de hasta un megavatio.

Con el paso del tiempo, muchos científicos empezaron a dudar de la utilidad del color rubí como medio láser. Maiman también tenía sus propias dudas, pero, como era una persona muy "obsesionada", siguió trabajando en su proyecto en secreto. Buscó una fuente de luz que fuera lo suficientemente intensa como para bombear la varilla, y una cavidad de bombeo elíptica de alta reflectividad, para dirigir la energía hacia la varilla. Encontró su fuente de luz cuando un vendedor de General Electric le mostró algunos tubos de destello de xenón, afirmando que el más grande podía encender lana de acero si se colocaba cerca del tubo. Maiman se dio cuenta de que, con tanta intensidad, no necesitaba una cavidad de bombeo tan altamente reflectante y, con la lámpara helicoidal, no necesitaría que tuviera forma elíptica. Maiman construyó su láser de rubí en los Laboratorios de Investigación Hughes, en Malibú, California. Utilizó una varilla de rubí rosa, de 1 cm por 1,5 cm, y, el 16 de mayo de 1960, disparó el dispositivo, produciendo el primer haz de luz láser.

El láser de rubí original de Theodore Maiman todavía está en funcionamiento. Se demostró el 15 de mayo de 2010 en un simposio organizado en Vancouver, Columbia Británica, por la Fundación Memorial Dr. Theodore Maiman y la Universidad Simon Fraser, donde el Dr. Maiman era profesor adjunto en la Escuela de Ciencias de la Ingeniería. El láser original de Maiman se disparó contra una pantalla de proyección en una habitación oscura. En el centro de un destello blanco (fuga del tubo de destello de xenón), se vio brevemente un punto rojo.

Los láseres de rubí no emitían un único pulso, sino una serie de pulsos, que consistían en una serie de picos irregulares dentro de la duración del pulso. En 1961, R.W. Hellwarth inventó un método de conmutación q para concentrar la salida en un único pulso.

En 1962, Willard Boyle, que trabajaba en los Laboratorios Bell, produjo la primera salida continua de un láser de rubí. A diferencia del método habitual de bombeo lateral, la luz de una lámpara de arco de mercurio se bombeaba al extremo de una varilla muy pequeña, para lograr la inversión de población necesaria. El láser no emitía una onda continua, sino más bien un tren continuo de pulsos, lo que dio a los científicos la oportunidad de estudiar la salida en forma de picos del rubí. El láser de rubí continuo fue el primer láser que se utilizó en medicina. Fue utilizado por Leon Goldman, un pionero en la medicina láser, para tratamientos como la eliminación de tatuajes, el tratamiento de cicatrices y para inducir la curación. Debido a sus límites en potencia de salida, capacidad de ajuste y complicaciones en el funcionamiento y enfriamiento de las unidades, el láser de rubí continuo fue reemplazado rápidamente por láseres de colorante, Nd:YAG y argón más versátiles.