A lo largo de seis décadas, Los científicos e ingenieros han transformado el más breve destello de luz láser en pulsos ultrarrápidos que tienen un poderoso impacto. Rebecca Pool de ESCI habla con el premio Nobel, Profesor Gerard Mourou, Para descubrir mas.

Cuando el físico estadounidense, Theodore Maiman, observó el primer destello de luz rojo intenso del láser de rubí que había construido, probablemente no se dio cuenta de que acababa de cambiar el mundo. Era mayo de 1960:a finales de año, su configuración se replicaría en muchos laboratorios, y en las próximas décadas, los láseres se utilizarían en telecomunicaciones, procesamiento de materiales, cirugía ocular y mucho más. El primer dispositivo simple y elegante de Maiman se basó en conceptos de láser que habían estado rebotando en el mundo de la investigación durante bastante tiempo. Ya en 1917, Albert Einstein había descubierto que los electrones dentro de los átomos podrían excitarse para emitir cascadas de fotones, en un proceso conocido como emisión estimulada.

En la década de 1950, Pioneros del láser con sede en EE. UU., Charles Townes de Bell Labs, y Arthur Schawlow de la Universidad de Columbia, había desarrollado 'masers', dispositivos que son similares a los láseres pero que producen microondas y ondas de radio en lugar de luz visible. Y al final de esta década, Schawlow, Townes y otros físicos estaban ocupados diseñando versiones ópticas del maser, pronto será apodado 'láser'. Pero fue Maiman quien produjo el primer láser en funcionamiento. Láser es un acrónimo de "amplificación de luz por emisión estimulada de radiación". Para darse cuenta de este efecto, Maiman construyó un dispositivo que comprendía un corto, Varilla de rubí con un extremo plateado y un extremo parcialmente plateado con un pequeño orificio.

La varilla se colocó dentro de un brillante, espiral, linterna de xenón, que Maiman utilizó para iluminar intensamente y estimular los electrones del rubí para que emitan fotones. Estos fotones luego podrían rebotar hacia adelante y hacia atrás entre los espejos del extremo de la barra, excitando más electrones para emitir fotones, hasta que los fotones escaparan de la varilla como un corto, ráfaga apretada de luz láser coherente. El láser de rubí de Maiman emitió pulsos de luz láser de color rojo oscuro, pero pronto, los físicos láser estarían usando otros sólidos, así como gases, tintes líquidos, iones, vapores metálicos y eventualmente semiconductores para producir pulsos y haces continuos de luz láser.

A principios de la década de 1960, Los láseres ya estaban apareciendo en el mercado comercial a través de empresas como Perkin-Elmer y Spectra-Physics. Y lo que es más importante, los dispositivos ya se estaban utilizando para destruir tumores de retina, soldar resortes a relojes y más. El potencial de los láseres no se perdió en el entonces prometedor físico láser, Gerard Mourou, que estaba estudiando para su doctorado. en París VI en 1973. Como le dice a ESCI:"Cuando comencé mi doctorado, mi supervisor acababa de duplicar el láser Maiman en su laboratorio. Estaba muy interesado en esto ... y también muy emocionado por sus aplicaciones novedosas, " él añade.

A principios de la década de 1970, se había inventado el bloqueo de modo láser, lo que permite producir una corriente repetitiva de pulsos láser intensos y cortos. En tono rimbombante, Estos pulsos cortos significaron que los investigadores ahora podían estudiar las reacciones físicas y químicas como nunca antes. Como señala Mourou:"Quería estudiar cómo los átomos, se mueven moléculas y objetos muy pequeños, también intentaba producir pulsos muy cortos a partir de láseres ".

Sin embargo, la física del láser había llegado a un bloqueo de carretera. Este desarrollo de corto, los pulsos de láser no habían ido acompañados de un gran aumento de energía por pulso, o potencia máxima. Mientras que el pequeño pulsos de nanojulios de estos pulsos cortos, Los láseres de modo bloqueado podrían amplificarse un millón de veces al nivel de milijulios, cualquier amplificación mayor destruyó los componentes del amplificador y del láser. Los investigadores podrían producir láseres de mayor energía sin el daño aumentando el diámetro del rayo láser, pero tal configuración exigía instalaciones láser masivas que solo los institutos nacionales de investigación podían permitirse.

Pero Mourou tenía una solución:amplificación de pulso chirriante. Trabajando con su alumno, Donna Strickland, ideó un proceso para estirar el pulso láser corto en el tiempo, usando una rejilla de difracción, para reducir su potencia máxima. Esta luz menos poderosa podría luego amplificarse de manera segura a energías más altas sin dañar los componentes del láser y luego recomprimirse a su duración de tiempo original con una rejilla adicional. El resultado final fue un pulso potente y sin daños por láser. Para 1985, Mourou y Strickland habían producido un asombroso corto, pulso de dos picosegundos con un 1 milijulio de energía relativamente modesto. Pronto generaron un pulso aún más corto de un picosegundo, que a 1 julio, tenía 1000 veces más energía. La amplificación del pulso chirrido se demostró bien y realmente y décadas más tarde recibirían el premio Nobel de Física 2018 por su invención.

Desde su desarrollo, La amplificación de pulso chirriante se ha convertido en el estándar en todos los láseres de alta intensidad, y Mourou ha utilizado la técnica para desarrollar pulsos láser cada vez más cortos con mayores energías y potencias máximas cada vez mayores. Ultracorto, se han creado intensos pulsos de láser en laboratorios de todo el mundo, permitiendo a los investigadores tomar imágenes de procesos en una fracción de segundo a nivel molecular, y estudiar eventos increíblemente rápidos, incluida la fotosíntesis y el movimiento de electrones en átomos y moléculas.

En efecto, Físicos de la Universidad de Munich registraron recientemente un electrón escapando de un átomo de helio, un evento que tiene lugar en un solo zeptosegundo, o una billonésima de mil millonésima de segundo. "El obturador de la cámara funciona en un milisegundo, pero estos pulsos cortos de láser ahora se miden en [al menos] una millonésima de mil millonésima de segundo, ", dice Mourou." Con estos láseres de intensidad ultra alta podemos estudiar la física subatómica, incluido el núcleo, y también estoy muy emocionado de estudiar las fluctuaciones de energía infinitesimalmente pequeñas en el vacío ".

Pero más allá de capturar inimaginablemente rápido, eventos atómicos y subatómicos, La alta intensidad del láser también se ha aprovechado para cortar o perforar con precisión características en una impresionante variedad de materiales biológicos y artificiales. Por ejemplo, La amplificación de pulso chirriante se ha utilizado durante mucho tiempo en cirugía ocular para abrir la lente sin dañar el tejido circundante. y también para cauterizar los vasos sanguíneos.

El método también se usa ampliamente para grabar hoyos en discos ópticos, para el almacenamiento de datos, mecanizar el cubreobjetos utilizado en los teléfonos móviles, y modelar las superficies de piezas de precisión para baterías, implantes y más.

En efecto, Dr. Santiago Miguel Olaizola, del Centro de Estudios e Investigaciones Técnicas (CEIT) del País Vasco, España, ha estado explotando láseres de pulso ultracorto para desarrollar procesos para definir tales patrones y texturas, conocidos como estructuras superficiales periódicas inducidas por láser (LIPSS), en ubicaciones precisas en las superficies. Como socio clave en el proyecto europeo, Laser4surf, Olaizola, junto a colegas, tiene la intención de desarrollar un sistema para llevar LIPSS a la producción en masa. "La tecnología láser ultrarrápida para la fabricación avanzada ha madurado muy rápidamente en los últimos quince años, y se ha ido trasladando del laboratorio a las fábricas y empresas, ", dice." Pero ahora nos gustaría desarrollar e integrar más los procesos para poder crear estas pequeñas estructuras de superficie muy rápidamente y con facilidad ".

El 'instrumento todo en uno' comprenderá tres características clave; un módulo óptico, Unidad de monitoreo y plataforma de software. El módulo óptico representa el corazón del sistema y controlará los parámetros del láser, como la potencia del láser, perfil de haz y longitud de onda. Mientras tanto, la unidad de monitoreo en línea monitoreará las propiedades de los patrones de superficie a medida que se crean. Y la nueva plataforma de software permitirá a los usuarios industriales seleccionar los parámetros del proceso de acuerdo con el material que se está modelando.

"Con la unidad de monitorización, Podremos rastrear cualquier cambio inesperado para averiguar si, decir, algo le ha pasado al láser, "explica Olaizola." Y las herramientas de software permitirán al usuario elegir, por ejemplo, la profundidad de las estructuras de la superficie y ajuste el instrumento para sintonizar los parámetros del láser para esto, sin necesidad de comprender en profundidad el proceso ".

Un prototipo ahora está programado para principios de 2020, y se utilizará para crear LIPSS en baterías avanzadas, implantes dentales y codificadores lineales que proporcionan retroalimentación de posición en máquinas herramienta y sistemas de automatización. "Queríamos demostrar el sistema en una combinación de diferentes tecnologías, "destaca Olaizola." Las baterías tienen una gran demanda y se producen en masa, Los implantes dentales son una aplicación social importante y los codificadores lineales necesitan un mecanizado muy preciso ".

Según Olaizola, el prototipo de Laser4Surf inicialmente dependerá de bajo consumo de energía, Láseres de pulso ultracorto que no utilizan la amplificación de pulso chirriante de Mourou y Strickland. Pero en una etapa posterior, esto cambiará. "La amplificación de pulso chirrido le permite tener más energía en cada pulso láser, que permite un procesamiento más rápido de materiales, ", dice." La velocidad va a ser muy importante en las futuras aplicaciones de LIPSS; una vez que se haya establecido la producción en masa, solo tendremos que fabricar productos cada vez más rápido ".