Tecnología láser

  I.INTRODUCCIÓN

  La luz siempre ha desempeñado un papel central en el estudio de la física, la química y la biología.La luz es clave tanto para la evolución del universo como para la evolución de la vida en la tierra.Este siglo se ha descubierto una nueva forma de luz láser en nuestro pequeño planeta y ya está facilitando una transformación global de la información y proporcionando importantes contribuciones a la medicina, el procesamiento de materiales industriales, el almacenamiento de datos, la impresión y la defensa.Esta revisión rastreará los avances en ciencia y tecnología que llevaron a la invención del láser y dará algunos ejemplos de cómo los láseres están contribuyendo tanto a las aplicaciones tecnológicas como al progreso en la ciencia básica.Hay muchas otras fuentes excelentes que cubren diversos aspectos de los láseres y la tecnología láser, incluidos artículos del 25 ° aniversario del láser (Ausu - land y Langford, 1987) y libros de texto (por ejemplo, Siegman, 1986, Agrawal y Dutta, 1993;Listo, 1997).

  La amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación (LASER) se logra excitando los modos electrónico, vibratorio, rotacional o cooperativo de un material en un estado de no equilibrio de modo que los fotones que se propagan a través del sistema se amplifican de manera coherente mediante emisión estimulada.La excitación de este medio de ganancia óptica puede lograrse mediante el uso de radiación óptica, corriente eléctrica y descargas, o reacciones químicas.El medio de amplificación se coloca en una estructura de resonador óptico, por ejemplo, entre dos espejos de alta reflectividad en una configuración de interferómetro Fabry Perot.Cuando la ganancia en el número de fotones para un modo óptico del resonador de cavidad excede la pérdida de cavidad, así como la pérdida de procesos no radiativos y de absorción, la amplitud de estado coherente del modo aumenta a un nivel donde el número medio de fotones en el modo es mayorde una.En los niveles de la bomba por encima de esta condición de umbral, el sistema está emitiendo láser y la emisión estimulada domina la emisión espontánea.Un rayo láser típicamente se acopla fuera del resonador por un espejo parcialmente transmisor.Las propiedades maravillosamente útiles de la radiación láser incluyen coherencia espacial, emisión espectral estrecha, alta potencia y modos espaciales bien definidos, de modo que el haz se puede enfocar a un tamaño de punto de difracción limitado para lograr una intensidad muy alta.La alta eficiencia de la generación de luz láser es importante en muchas aplicaciones que requieren una baja entrada de energía y un mínimo de generación de calor.

  Cuando se detecta un rayo láser de estado coherente utilizando técnicas de recuento de fotones, la distribución del recuento de fotones en el tiempo es poissoniana.Por ejemplo, una salida de audio de un fotomultiplicador de alta eficiencia que detecta un campo láser suena como lluvia en un aguacero constante.Este ruido láser puede modificarse en casos especiales, por ejemplo, mediante el bombeo de corriente constante de un láser de diodo para obtener un estado de número exprimido donde los fotones detectados suenan más como una ametralladora que como la lluvia.

  Se logra un amplificador óptico si el medio de ganancia no está en una cavidad resonante.Los amplificadores ópticos pueden lograr ganancia muy alta y bajo nivel de ruido.De hecho, actualmente tienen cifras de ruido dentro de unos pocos dB del límite de ruido cuántico de 3 dB para un amplificador lineal insensible a la fase, es decir, añaden poco más que un factor de dos a la potencia de ruido de una señal de entrada.Los amplificadores paramétricos ópticos (OPA), donde la ganancia de señal se logra mediante el acoplamiento no lineal de un campo de bomba con modos de señal, se pueden configurar para agregar menos de 3 dB de ruido a una señal de entrada.En un OPA, el ruido añadido a la señal de entrada puede estar dominado por el ruido de la bomba y el ruido aportado por un haz de bomba láser puede ser insignificantemente pequeño en comparación con la gran amplitud del campo de la bomba.

  II.HISTORIA

  Einstein (1917) proporcionó la primera idea esencial para el láser, la emisión estimulada.¿Por qué no se inventó el láser a principios de siglo?Gran parte del trabajo inicial sobre emisión estimulada se concentra en sistemas cercanos al equilibrio, y el láser es un sistema altamente desequilibrado.En retrospectiva, el láser podría haber sido fácilmente concebido y demostrado utilizando una descarga de gas durante el período de estudios espectroscópicos intensos de 1925 a 1940. Sin embargo, tomó la tecnología de microondas desarrollada durante la Segunda Guerra Mundial para crear la atmósfera para el concepto de láser.Charles Townes y su grupo en Columbia concibieron la idea de maser (amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación), basada en sus antecedentes en tecnología de microondas y su interés en la espectroscopía de microondas de alta resolución.Ideas de máster similares evolucionaron en Moscú (Basov y Prokhorov, 1954)   en   la   Universidad   de   Maryland (Weber, 1953).El primer maser demostrado experimentalmente en la Universidad de Columbia (Gordon et al., 1954, 1955) se basó en un haz molecular de amoníaco.Las ideas de Bloembergen para ganar en sistemas de tres niveles resultaron en los primeros amplificadores maser prácticos en el sistema ruby.Estos dispositivos tienen cifras de ruido muy cercanas al límite cuántico y fueron utilizados por Penzias y Wilson en el descubrimiento de la radiación cósmica de fondo.

  Townes confiaba en que el concepto maser podría extenderse a la región óptica (Townes, 1995).La idea del láser nació (Schawlow y Townes, 1958) cuando discutió la idea con Arthur Schawlow, quien entendió que los modos de resonador de un inter ferómetro Fabry-Perot podrían reducir la cantidad de modos que interactúan con el material de ganancia en ordenpara lograr alta ganancia para un modo individual.El primer láser se demostró en una lámpara de destellos de cristal de rubí bombeado por Ted Maiman en Hughes Research Laboratories (Maiman, 1960).Poco después de la demostración de los láseres de cristal pulsado, se demostró una onda continua (CW) de láser de descarga de gas He: Ne en Bell Laboratories (Javan et al., 1961), primero a 1,13 μm y luego a rojo 632,8 nm.transición de emisión de longitud de onda.Un excelente artículo sobre el nacimiento del láser se publica en una edición especial de Physics Today (Bromberg, 1988).

  El maser y el láser iniciaron el campo de la electrónica cuántica que abarca las disciplinas de la física y la ingeniería eléctrica.Para los físicos que pensaban principalmente en términos de fotones, algunos conceptos de láser eran difíciles de comprender sin los conceptos de onda coherentes conocidos en la comunidad de la ingeniería eléctrica.Por ejemplo, el ancho de línea del láser puede ser mucho más estrecho que el límite que uno podría pensar que sería impuesto por la vida útil espontánea de la transición del láser.Charles Townes ganó una botella de escocés sobre este punto de un colega en Columbia.El láser y maser también demuestran maravillosamente el intercambio de ideas y el ímpetu entre la industria, el gobierno y la investigación universitaria.

  Inicialmente, durante el período de 1961 a 1975, hubo pocas aplicaciones para el láser.Era una solución que buscaba un problema.Desde mediados de la década de 1970 ha habido un crecimiento explosivo de la tecnología láser para aplicaciones industriales.

  Como resultado de este crecimiento tecnológico, una nueva generación de láseres, incluidos los láseres de semiconductores, los láseres de tinte, los láseres de zafiro con bloqueo de modo ultrarrápido, los osciladores de parámetros ópticos y los amplificadores paramétricos están facilitando nuevos avances en investigación en física., química y biología.

  III.LASERAS AL FINAL DEL SIGLO

  la '' ley '' de Schawlow establece que todo funciona si se bombea lo suficiente.De hecho, miles de materiales se han demostrado como láseres y amplificadores ópticos que dan como resultado una amplia gama de tamaños de láser, longitudes de onda, longitudes de pulso y potencias.Las longitudes de onda del láser van del infrarrojo lejano a la región de rayos x.Los pulsos de luz láser tan cortos como unos pocos femtosegundos están disponibles para la investigación sobre la dinámica de los materiales.Las potencias máximas en el rango de petavatios se están alcanzando ahora mediante la amplificación de pulsos de femtosegundos.Cuando estos niveles de potencia se enfocan en un punto de difracción limitada, las intensidades se aproximan a 1023 W / cm2.Los electrones en estos campos intensos se aceleran en el rango relativista durante un solo ciclo óptico, y se pueden estudiar interesantes efectos electrodinámicos cuánticos.La física de los pulsos láser ultracortos se revisa en esta serie centenaria (Bloembergen, 1999).

  Un ejemplo reciente de un láser grande y potente es el láser químico basado en una transición de yodo a una longitud de onda de 1,3 μm que se concibe como un arma defensiva (Forden, 1997).Se podría montar en un avión Boeing 747 y produciría una potencia promedio de 3 megavatios, equivalente a 30 antorchas de acetileno.Los nuevos avances en espejos dieléctricos de alta calidad y espejos deformables permiten que este intenso haz se enfoque con fiabilidad en un pequeño misil que porta agentes biológicos o químicos y lo destruye desde distancias de hasta 100 km.Este ataque de '' guerra de las galaxias '' puede lograrse durante la fase de lanzamiento   del misil objetivo para que partes del misil destruido vuelvan a caer sobre su lanzador, un buen elemento de disuasión para estas armas malignas.¡El Capitán Kirk y la nave estelar Enterprise pueden estar usando este en los Klingon!

  En el extremo opuesto del rango de tamaño del láser hay micro-láseres tan pequeños que solo unos pocos modos ópticos están contenidos en un resonador con un volumen en el rango de femtoliter.Estos resonadores pueden tomar la forma de anillos o discos de solo unas pocas micras de diámetro que usan una reflexión interna total en lugar de los espejos de pila dieléctricos convencionales para obtener una alta reflectividad.Las cavidades de Fabry Perot de solo una fracción de micra de longitud se utilizan para los VCSEL (láseres emisores de superficie de cavidad vertical) que generan haces ópticos de alta calidad que se pueden acoplar eficientemente a las fibras ópticas (Choquette y Hou, 1997).Los VCSEL pueden encontrar una aplicación generalizada en enlaces de datos ópticos.

  Las ventas mundiales de láser en los principales mercados comerciales en 1997 (Anderson, 1998; Steele, 1998) se muestran esquemáticamente en la figura 1. Las ventas totales de láser han alcanzado los 3,2 mil millones de dólares y a una tasa de crecimiento anual de casi 27% excederán 5mil millones de dólares para el año 2000. La distribución mundial de las ventas de láser es del 60% en los EE. UU., del 20% en Europa y del 20% en el Pacífico.Los láseres de diodo semiconductor representan casi el 57% del mercado de láser de 1997.Los láseres de diodo solo en telecomunicaciones representan el 30% del mercado   total.

  El procesamiento de materiales es el segundo mercado más grande con aplicaciones tales como soldadura, soldadura, diseño y corte de telas.Los láseres de CO2 con potencias promedio en el rango de 100 W representan una gran fracción de los ingresos en esta categoría.Los láseres de diodo de alta potencia con niveles de salida de potencia entre 1 y 20 W y longitudes de onda en el rango de 750 a 980 nm ahora encuentran una amplia variedad de aplicaciones en el procesamiento de materiales, así como en aplicaciones oftálmicas y quirúrgicas, instrumentación y detección.

  El crecimiento en las aplicaciones de láser médico se debe en gran parte a los procedimientos láser cosméticos, como el rejuvenecimiento de la piel y la depilación.Una gran parte de los láseres médicos se siguen utilizando en aplicaciones oftalmológicas y quirúrgicas generales.

  Frecuencia duplicada Los láseres Nd: YAG y los sistemas de láser de diodo están reemplazando los láseres argonión en oftalmología.Los nuevos láseres, incluido el láser de YAG erbiumdoped, se utilizan ampliamente en dermatología, odontología y oftalmología.

  El almacenamiento óptico representa el 10% del mercado donde se encuentran los láseres utilizados en los reproductores de discos compactos (CD) tanto para el entretenimiento como para los mercados de computadoras.El láser de semiconductores GaAs a 800 nm de longitud de onda para estas aplicaciones se fabrica tan eficientemente hoy en día que los costos del láser se reducen a casi $ 1 cada uno.Más de 200 millones de láseres de diodo, con longitudes de onda en el rango de 750 a 980 nm y potencias de unos pocos milivatios, se vendieron para almacenamiento óptico en 1997.

El advenimiento de los discos de video (DVD) digitales con 4.7 Gbytes de capacidad de almacenamiento y los láseres de diodo azul (DenBaars, 1997) conducirán a un mayor crecimiento en este campo.

  Las aplicaciones láser de grabación de imágenes incluyen impresoras de computadora de escritorio, máquinas de fax, fotocopiadoras e impresión comercial (Gibbs, 1998).Los láseres de diodo de modo único de baja potencia que emiten a longitudes de onda de 780 a 670 nm se utilizan en grabadoras de imágenes utilizadas para producir películas de separación de color con alta sensibilidad en este rango de longitud de onda.Esta tecnología de impresión en color basada en láser se ha combinado con software de autoedición para permitir diseños de página de alta calidad.La tecnología de computadora a placa es otro desarrollo importante en la impresión.La imagen de una placa de impresión se forma directamente exponiéndola con un rayo láser en lugar de utilizar separaciones de color basadas en película.Por ejemplo, las placas recubiertas de fotopolímero pueden exponerse con láseres Nd: YAG bombeados con diodo duplicado en frecuencia a una longitud de onda de 532 nm.Más recientemente, las placas térmicamente sensibles se han desarrollado para su uso con láseres de patrones de infrarrojo cercano.

  Los mercados de láser de detección remota incluyen la prevención de colisiones automotrices, los detectores químicos atmosféricos y la detección de movimiento de aire.La medición por láser está proporcionando mapas detallados de elevación de la Tierra, incluidos los movimientos de masa terrestre, la biomasa, la cobertura de nubes y neblina, y la evolución de la capa de hielo.El láser que se extiende desde los satélites puede lograr una resolución subcentétrica de las características de elevación y el movimiento de masa terrestre en la tierra.La Luna, Marte y otros planetas también están siendo mapeados por láser.Para los planetas, la precisión de medición oscila entre metros y centímetros.Las características detalladas de la capa de hielo en Marte, así como las nubes cerca del borde de la capa de hielo se han asignado recientemente.

  Las aplicaciones láser en investigación, escaneo de códigos de barras, inspección, arte y entretenimiento son mercados pequeños pero significativos.Lasers vendidas para investigación básica en 1997 representaron 132 millones de dólares en ingresos.El bajo consumo de energía, las fuentes de diodos duplicados en frecuencia que emiten en verde a niveles de potencia cercanos a 10 W se utilizan como láseres de bombeo para láseres sintonizables de frecuencia como el Ti: láser de zafiro y amplificadores paramétricos ópticos.Incluso un láser de investigación de mesa puede alcanzar el régimen de potencia pico de petawatt con amplificadores ópticos de gran volumen.Estos pulsos altamente ajustables y ultracortos están llevando a avances en muchos campos de investigación.

  IV.LASERAS EN COMUNICACIONES

  Las fuentes de luz láser han revolucionado la industria de las comunicaciones.Las comunicaciones de voz aumentaron la demanda de capacidad de transmisión de información a un ritmo constante hasta mediados de la década de 1970.El tiempo de duplicación de la capacidad de transmisión durante este período fue de aproximadamente 8 años.La velocidad de datos básica estaba en el rango entre 10 y 80 kHz basado en transmisiones de audio.Durante este período, los primeros cables de cobre y luego las microondas fueron las principales tecnologías de comunicación.Luego, en la década de 1980, comenzó un aumento explosivo de la tasa de información, con datos, fax e imágenes añadidos al flujo de información.La nueva tecnología de comunicaciones de fibra óptica que utiliza fuentes de luz láser se desarrolló para seguir el ritmo de esta nueva demanda.El advenimiento de Internet global resultó en una explosión aún más sorprendente en la demanda de capacidad.En la fuente de datos, los terminales de computadora se utilizan para acceder a Internet en hogares y empresas de todo el mundo, lo que da como resultado tasas de datos que aumentan exponencialmente.A medida que las velocidades de las computadoras en las estaciones de trabajo se aproximen a 1000   se necesitarán MIPS,   fibra   comunicaciones   enlaces a la computadora en el rango de 1000 Mb / seg.Tenga en cuenta la coincidencia de estas tasas y que ambas están aumentando exponencialmente.Está claro que seguirá habiendo una demanda exponencialmente creciente de capacidad de transmisión de información.En respuesta a esta demanda, la capacidad de información en una sola fibra óptica durante los últimos cuatro años, entre 1994 y 1998, se ha incrementado 160 veces en sistemas comerciales de 2.5 Gbits / seg a 400 Gbits / seg.

  Este increíble aumento se ha logrado utilizando hasta 100 longitudes de onda de láser diferentes (multiplexación por división de longitud de onda densa, DWDM) en cada fibra.Las velocidades de datos en una sola longitud de onda han aumentado de decenas de Mbits / seg en la década de 1970 a 10 Gbits / seg en la actualidad, y 40 Gbits / seg probablemente se utilizarán antes del cambio de   siglo.

  Esta revolución de la información está remodelando la comunidad global con la misma fuerza con que la revolución de la imprenta y la revolución industrial cambiaron la forma de sus mundos.Dos de las tecnologías básicas que apoyan la revolución de la información son el láser de diodo semiconductor y el amplificador óptico de fibra dopado con erbio.Los anchos de línea de bajo ruido, alta intensidad y estrechos asociados con los osciladores y amplificadores láser son absolutamente esenciales para los sistemas de comunicaciones de fibra óptica.Las fuentes incoherentes de mayor ancho de banda, como los diodos emisores de luz o las fuentes térmicas, caen por debajo de las intensidades necesarias y los anchos de línea espectrales en muchos órdenes de magnitud.

  Los diodos láser semiconductores se demostraron por primera vez en 1962 en GE, IBM y Lincoln Laboratories como dispositivos de homounión basados ​​en materiales III-V.En Agrawal y Dutta (1993) se puede encontrar una historia de estos láseres y referencias de diodos tempranos. Cuando la primera heterounión GaAs / AlGaAs temperatura ambiente, los láseres de onda continua fueron operados en 1970 por Hayashi y Panish (Hayashi et al., 1970).en Bell Labs y Alferov (Alferov et al., 1970) en Rusia, sus vidas se midieron en minutos.Las confiabilidades del láser de diodo han aumentado drásticamente desde ese momento.En la actualidad, se estima que los tiempos de vida del láser del diodo son de cientos de años, y las estabilidades de la longitud de onda son superiores a 0,1 nm en un período de 25 años.Estas asombrosas estabilidades son necesarias para los nuevos sistemas DWDM con más de 100 canales de longitud de onda que abarcan rangos de longitud de onda de 100 nm.Como la longitud de onda óptima para bajas pérdidas en la fibra de sílice aumentó en longitud de onda de 800 nm a 1500 nm durante la década de 1970, las longitudes de onda del láser diodo siguieron evolucionando desde GaAs hasta el sistema InGaAsP.A fines de la década de 1980 y principios de la década de 1990, los pozos cuánticos reemplazaron el semiconductor en masa en la región de ganancia óptica activa para mejorar las características operativas del láser.En la figura 2 se muestra un diagrama esquemático de un láser de diodo de telecomunicaciones de hoy en día integrado con un modulador de electroabsorción. Las dimensiones totales son inferiores a 1 mm.Una región de índice de refracción elevada y rejilla de realimentación distribuida enterrada (DFB), debajo de los pozos cuánticos activos, define la cavidad óptica del láser y la longitud de onda del láser, respectivamente.

  Los sistemas de comunicación de fibra óptica también dependen en gran medida del amplificador de fibra dopada con erbio desarrollada a finales de la década de 1980 (Urquhart, 1988).Estos amplificadores tienen alto

HIGO.2. Un diagrama esquemático de un diodo láser semiconductor con un modulador de electroabsorción utilizado en sistemas de comunicaciones ópticas.(Cortesía de R. L. Hartman, Lucent Technologies) ganan, típicamente cerca de 25 dB, y cifras de bajo ruido cerca del límite de ruido cuántico de 3 dB para un amplificador insensible a la fase lineal.La ganancia en estos amplificadores se puede igualar en anchos de banda de hasta 100 nm, cubriendo casi una cuarta parte de la ventana de fibra de sílice de baja pérdida entre longitudes de onda de 1,2 y 1,6 μm.Los sistemas de fibra óptica pueden hacerse "transparentes" a lo largo de miles de kilómetros utilizando amplificadores de fibra con erbio distorsionados a distancias de aproximadamente 80 km, donde las pérdidas de fibra se acercan a los 20 dB.

  A medida que se acerca el siglo, nos acercamos rápidamente a los límites físicos fundamentales para los láseres, los amplificadores ópticos y las fibras de sílice.Los anchos de línea del láser están en el rango de 10 MHz, limitados por las fluctuaciones de emisión espontáneas fundamentales y el acoplamiento del índice de ganancia en materiales semiconductores.El número de fotones en un bit de información detectado se acerca al límite fundamental de aproximadamente 60 fotones requeridos cuando se utilizan campos de luz láser de estado coherente para mantener una tasa de error de menos de 1 parte en 109. Una eficiencia de utilización de ancho de banda de 1 bit /sec / Hz ha sido recientemente demostrado.Los anchos de banda del amplificador óptico aún no abarcan el ancho de 400 nm de la ventana de fibra de baja pérdida, pero se están expandiendo rápidamente.Los límites fundamentales impuestos por las distorsiones no lineales y dispersivas en las fibras de sílice hacen que la transmisión a velocidades de datos superiores a 40 Gbits / seg sea muy difícil en distancias largas.Los solitones ópticos se pueden usar para equilibrar estas distorsiones, pero incluso con solitones, los límites fundamentales permanecen para los sistemas de longitud de onda alta y alta velocidad de bits.Los límites de capacidad del canal impuestos por la teoría de la información están en el horizonte.Claramente, es un desafío para los próximos siglos encontrar aún más capacidad de transmisión de información para el deseo cada vez mayor de comunicarse.

  V. PROCESAMIENTO DE MATERIALES Y LITOGRAFÍA

  Los láseres de CO2 y Nd: YAG de alta potencia se utilizan   para una amplia variedad de aplicaciones de grabado, corte, soldadura, & soldadura y prototipado 3D.Los láseres de CO2 sellados y excitados por rf están disponibles comercialmente que tienen potencias de salida en el rango de 10 a 600 W y tienen una vida útil de más de 10 000 horas.Las aplicaciones de corte por láser incluyen ropa de vela, paracaídas, textiles, airbags y encajes.El corte es muy rápido, preciso, no hay decoloración en los bordes y se obtiene un borde limpio y fusionado que elimina el deshilachado del material.Los diseños complejos están grabados en madera, vidrio, acrílico, sellos de caucho, planchas de impresión, plexiglass, carteles, juntas y papel.Los modelos tridimensionales se hacen rápidamente de plástico o madera usando un archivo de computadora CAD (diseño asistido por computadora).

  Los láser de fibra (Rossi, 1997) son una adición reciente al campo de procesamiento de materiales.Los primeros láseres de fibra se demostraron en Bell Laboratories usando fibras de cristal en un esfuerzo por desarrollar láseres para comunicaciones de ondas de luz submarinas.Los láseres de fibra de sílice fundida y dopada pronto se desarrollaron.A fines de la década de 1980, investigadores de Polaroid Corp. y de la Universidad de Southampton inventaron láseres de fibra bombeados con revestimiento.El vidrio que rodea el núcleo de guía en estos láseres sirve tanto para guiar la luz en el núcleo de modo único como como un conducto multimodo para luz de bombeo cuya propagación se limita al revestimiento interior mediante un revestimiento de polímero externo de bajo índice de refracción.Los esquemas de operación típicos actualmente usan una barra de láser de diodo multimodo de 20 W que se acopla eficientemente en la región de revestimiento interior de diámetro grande y es absorbida por la región del núcleo dopado en toda su longitud (típicamente 50 m).Los dopantes en el núcleo de la fibra que   proporcionan la ganancia pueden ser erbio para la región de longitud de onda de 1,5 mu m o iterbio para la región de 1,1 mu m.Los espejos de cavidad de alta calidad se depositan directamente en los extremos de la fibra.Estos láseres de fibra son extremadamente eficientes, con eficiencias generales tan altas como 60%.La calidad del haz y la eficiencia de entrega son excelentes ya que la salida se forma como la salida de modo único de la fibra.Estos   láseres ahora tienen potencias de salida en el rango de 10 a 40 W y tiempos de vida de casi 5000 horas.Las aplicaciones actuales de estos láseres incluyen el recocido de componentes micromecánicos, el corte de piezas de acero inoxidable de 25 a 50 μm de espesor, la soldadura selectiva y la soldadura de piezas mecánicas intrincadas, el marcado de componentes de plástico y metal y las aplicaciones de impresión.

  Los láseres Excimer están comenzando a desempeñar un papel clave en la fotolitografía utilizada para fabricar chips VLSI (circuito integrado a gran escala).Como las reglas de diseño de IC (circuito integrado) disminuyen de 0.35 μm (1995) a 0.13 μm (2002), la longitud de onda de la fuente de luz utilizada para el modelado fotolitográfico debe disminuir de manera correspondiente desde 400 nm hasta menos de 200 nm.Durante los primeros años de la década de 1990, la radiación de arco de mercurio produjo suficiente energía a longitudes de onda suficientemente cortas de 436 nm y 365 nm para altas tasas de producción de dispositivos IC con patrones de diseño de 0,5 μm y 0,35 μm, respectivamente.A medida que se cierra el siglo, las fuentes de láser excimer con potencias de salida promedio en el rango de 200 W están reemplazando a los arcos de mercurio.Los anchos de línea del láser excímero son lo suficientemente amplios como para evitar la formación de patrones de moteado, pero lo suficientemente angostos, menos de 2 nm de ancho de onda de longitud, para evitar problemas importantes con la dispersión en imágenes ópticas.La radiación del láser excimer de fluoruro de criptón (KF) a 248 nm de longitud de onda   admite reglas de diseño de 0,25 μm y la transición del láser ArF a 193 nm probablemente se utilizará comenzando con reglas de diseño de 0,18 μm.En reglas de diseño aún más pequeñas, hasta 0,1 μm en 2008, la longitud de onda del láser excímero F2 a 157 nm es un posible candidato, aunque actualmente no se han desarrollado fotorresistencias para esta longitud de onda.Los armónicos más altos de los láseres de estado sólido son también posibilidades como fuentes de UV de alta potencia.En longitudes de onda incluso más cortas, es muy difícil para los elementos ópticos y fotorresistentes cumplir con los requisitos en los sistemas litográficos.Los haces de electrones, los rayos X y la radiación sincrotrón todavía se están considerando para las reglas de diseño de 70 nm previstas para 2010 y más allá.

  VI.LASER EN MEDICINA

  Los láseres con longitudes de onda del infrarrojo a través de la luz ultravioleta se utilizan en medicina tanto para aplicaciones de diagnóstico como terapéuticas (Deutsch, 1997).Los láseres interactúan con los tejidos no homogéneos a través de la absorción y la dispersión.

  Los absorbentes incluyen melanina, pigmento de la piel, hemoglobina en la sangre y proteínas.En longitudes de onda mayores de 1 μm, el absorbente primario es agua.Los tintes también se pueden introducir en el tejido para una absorción selectiva.Por ejemplo, en la terapia fotodinámica, los fotosensibilizadores de colorante hematoporfirina que absorben en el rango de longitud de onda de 630 nm a 650 nm pueden introducirse en el sistema y usarse para tratar tumores cancerosos mediante irradiación láser local en el tracto urinario o el esófago.La dispersión en el tejido limita la penetración de la radiación;por ejemplo, a una longitud de onda de 1 μm, la dispersión limita las profundidades de penetración a unos pocos milímetros.Los procesos de dispersión se están estudiando con la esperanza de obtener imágenes de alta resolución para el cribado del cáncer de mama.La interacción del láser con el tejido depende de si el láser está pulsado o CW.Los pulsos cortos de láser donde no se produce difusión térmica durante el pulso se pueden utilizar para limitar la profundidad de los efectos del láser.Este fenómeno junto con la sintonización selectiva de la longitud de onda del láser se utiliza en dermatología para el tratamiento de lesiones cutáneas y en la eliminación de arañas vasculares, tatuajes y cabello.Las interacciones no lineales también juegan un papel importante.Por ejemplo, la degradación inducida por láser se usa para la fragmentación de cálculos renales y de la vesícula biliar.

  Dado que el interior del ojo es fácilmente accesible con la luz, las aplicaciones oftálmicas fueron los primeros usos generalizados del láser en medicina.Los láseres de argón ahora se han utilizado durante muchos años para tratar el desprendimiento de retina y el sangrado de los vasos retinianos.La amplia disponibilidad de los láseres de CO2 y Nd: YAG que cortan el tejido al mismo tiempo que coagulan los vasos sanguíneos llevó a su uso temprano en la cirugía general.El láser Er: YAG se ha introducido recientemente para aplicaciones dentales con la promesa de una reducción espectacular del dolor, sin duda una contribución bienvenida de la tecnología láser.

  Los procedimientos de diagnóstico que utilizan el láser proliferan rápidamente.Algunas técnicas son ampliamente utilizadas en la práctica clínica.Por ejemplo, el citómetro de flujo utiliza dos rayos láser enfocados para excitar de forma secuencial la fluorescencia de partículas celulares o moléculas que fluyen en un líquido a través de una boquilla.Las señales fluorescentes medidas se pueden usar para clasificar o analizar células.Las aplicaciones clínicas de rutina de la citometría de flujo incluyen la inmunofenotipificación y la medición del contenido de ADN.Los citómetros de flujo se utilizan para separar físicamente grandes cantidades de cromosomas humanos.Los cromosomas clasificados proporcionan plantillas de ADN para la construcción de bibliotecas de ADN recombinante para cada uno de los cromosomas humanos.Estas bibliotecas son un componente importante de la ingeniería genética.

  Una nueva técnica de imagen médica basada en láser (Guillermo et al., 1997) basada en la tecnología láser llamada tomografía de coherencia óptica (OCT) está logrando la resolución espacial de los tejidos en el rango de 10 μm.Las resoluciones de ultrasonido y de resonancia magnética (MRI) están limitadas al rango de 100 μm a 1 mm.La nueva técnica de OCT de alta resolución es lo suficientemente sensible como para detectar anomalías asociadas con el cáncer y   aterosclerosis en etapas tempranas.La técnica OCT es similar a la del ultrasonido, pero utiliza una fuente de luz infrarroja de ancho de banda espectral amplia y brillante con una longitud de coherencia cercana a 10 μm, lo que resulta en una mejora de resolución de orden de magnitud sobre las técnicas acústicas y de resonancia magnética.La fuente puede ser un diodo súper luminiscente, un láser de Cr: forsterita o un láser Ti: Sapphire con bloqueo de modo.OCT realiza un rango óptico en el tejido mediante el uso de un interferómetro Michelson de fibra óptica.Dado que la interferencia se observa solo cuando las longitudes del camino óptico de la muestra y los brazos de referencia del interferómetro coinciden dentro de la longitud de coherencia de la fuente, se obtienen mediciones de distancia de precisión.La amplitud de la señal reflejada / dispersa en función de la profundidad se obtiene variando la longitud del brazo de referencia del interferómetro.Una imagen en sección transversal   se produce   cuando se registran perfiles secuenciales de reflexión / dispersión axial mientras se escanea la posición del haz a través de la muestra.Estudios recientes han demostrado que la OCT puede obtener imágenes de la morfología arquitectónica en tejidos que dispersan   tales como la retina, la piel, el sistema vascular, el tracto gastrointestinal y el desarrollo de embriones.En la Fig. 3 se muestra una imagen de una tráquea de conejo obtenida usando esta técnica junto con un cateterendoscopio. OCT ya se está usando clínicamente para el diagnóstico de un amplio espectro de enfermedades maculares retinianas.

  Se está estudiando una técnica óptica elegante y novedosa que utiliza gases esporula- rizados (Mittleman et al., 1995) para mejorar las imágenes de MRI de los pulmones y el cerebro.Los giros nucleares en los gases Xe y 3He se alinean usando radiación láser polarizada circularmente.Estos núcleos alineados tienen magnetizaciones casi 105 veces más que los protones normalmente utilizados para la obtención de imágenes MRI.El xenón se usa como una sonda cerebral ya que es soluble en lípidos.En regiones como los pulmones, que no contienen suficiente agua para imágenes de MRI de alto contraste, 3He proporciona imágenes de alto contraste.Incluso se puede ver 3He fluir en los pulmones para el diagnóstico funcional.

  VII.LASERAS EN BIOLOGÍA

  Las aplicaciones láser en biología se pueden ilustrar con dos ejemplos, pinzas láser y dos fotones    micros-

HIGO.3. Imágenes de tomografía de coherencia óptica de una tráquea de conejo in vivo.(a) Esta imagen permite la visualización de distintas capas arquitectónicas, incluyendo el epitelio (e), el estroma de la mucosa (m), el cartílago (c) y el tejido adiposo (a).

  El músculo traqueal (tm) se puede identificar fácilmente.(B) Histología correspondiente.Barra, copia de 500 μm.Cuando la luz láser colimada se enfoca cerca o dentro de un pequeño cuerpo dieléctrico como una célula biológica, la refracción de la luz en la célula provoca un efecto   lente & nbsp ;.Se imparte una fuerza a la célula mediante la transferencia   del momento del haz de luz de flexión.Arthur Ashkin en Bell Laboratories (Ashkin, 1997) descubrió que variando la forma y la posición del volumen focal en una disposición microscópica, una célula puede moverse fácilmente o quedar atrapada con estas fuerzas de "pinzas láser" usando intensidades de luz   cerca10 W / cm2.En estos niveles de luz y longitudes de onda en el infrarrojo cercano, no hay daño o calentamiento significativo de los componentes de la célula.Las pinzas láser ahora se utilizan para mover cuerpos subcelulares como las mitocondrias   dentro de   una célula (Sheetz, 1998).Las técnicas de pinzas también se pueden usar para estirar cadenas de ADN en configuraciones lineales para estudios detallados.Se pueden usar dos rayos láser para estabilizar una célula y luego un tercer rayo láser a una longitud de onda   diferente, se puede usar para estudios espectroscópicos o dinámicos.Los láseres pulsados ​​se utilizan como "tijeras" para realizar modificaciones específicas en las estructuras celulares o para hacer pequeños orificios en las membranas celulares para que las moléculas o los materiales genéticos puedan introducirse selectivamente en la célula.

HIGO.4. (Color) Imagen fluorescente con dos microscopios confocales fluorescentes de una célula de Purkenji viva en una rebanada de cerebro.Las dimensiones de la celda son del orden de 100  μm.

  El escaneo confocal y el microscopio óptico de dos fotones son excelentes ejemplos de la contribución de la tecnología láser a la biología.Las imágenes tridimensionales de células nerviosas de casi 200 μm en cerebros en funcionamiento y embriones en desarrollo ahora son una realidad.Los microscopios confocales prácticos se utilizaron ampliamente a fines de la década de 1980 como resultado de fuentes confiables de luz láser.La resolución de la lente en un microscopio confocal se utiliza tanto para enfocar la luz a un punto de difracción limitada como para captar principalmente los fotones de señal, es decir, aquellos que no están fuertemente dispersados ​​por la muestra, en una abertura.Aunque se obtienen imágenes en 3D de alta resolución, este esquema de fotón único es un uso derrochador de la luz de iluminación ya que una fracción principal se dispersa fuera de la apertura o es absorbida por la muestra.En la microscopía fluorescente, el fotodaño del fluoróforo es un factor especialmente limitante para la microscopía confocal de fotón único.

  La microscopía confocal de exploración multifotónica se introdujo en 1990 y resuelve muchos de los problemas de las técnicas de fotón único.Un microscopio típico de dos fotones utiliza pulsos cortos de 100 fs de un láser bloqueado en modo Ti: zafiro a niveles de potencia promedio cercanos a los 10 mW.La alta intensidad en el pico de cada pulso provoca una fuerte absorción de dos fotones y fluorescencia solo dentro del pequeño volumen focal, y toda la radiación fluorescente se puede recoger para una alta eficiencia.La luz excitante se elige para la absorción y el daño mínimos de un solo fotón, de modo que la técnica de dos fotones tiene una resolución muy alta, un daño bajo y una penetración profunda.

  En la figura 4 se muestra una hermosa imagen fluorescente de dos fotones de una célula viviente de Purkenji en una rebanada de cerebro (Denk y Svoboda 1997).Las neuronas pirimidales neocorticales en las capas 2 y 3 de la corteza somatosensorial de rata se obtuvieron a una profundidad de 200 μm por debajo de la superficie del cerebro.Aún más impresionantes son las imágenes en movimiento del desarrollo de embriones.La microscopía embrionaria es particularmente sensible al daño solar y la técnica de dos fotones está abriendo nuevas perspectivas en este campo.

  VIII.LASER EN FÍSICA

  La tecnología láser ha estimulado un renacimiento de las espectroscopías en todo el espectro electromagnético.El angosto ancho de línea del láser, las potencias grandes, los pulsos cortos y la amplia gama de longitudes de onda han permitido nuevos estudios dinámicos y espectrales de gases, plasmas, vidrios, cristales y líquidos.Por ejemplo, los estudios de dispersión Raman de fonones, magnones, plasmones, rotones y excitaciones en gases de electrones 2D han florecido desde la invención del láser.Las espectroscopias láser no lineales han resultado en grandes aumentos en la medición de precisión como se describe en un artículo en este volumen (Haßsch y Walther 1999).

  Los láseres de tinte estabilizados en frecuencia y los láseres de diodo ajustados con precisión a las transiciones atómicas han resultado en átomos ultrafríos y condensados ​​de Bose Einstein, también descritos en este volumen (Wieman et al., 1999).El control del estado atómico y las mediciones de la no conservación de la paridad atómica han alcanzado una precisión que permite realizar pruebas del modelo estándar en física de partículas, así como búsquedas cruciales de nueva física más allá del modelo estándar.En experimentos recientes de no conservación de paridad (Wood et al., 1997) los átomos de Ce se preparan en estados electrónicos específicos a medida que pasan a través de dos haces de láser de diodo rojo.Estos átomos preparados entran luego en un resonador de cavidad óptica donde los átomos se excitan a un nivel de energía más elevado mediante luz verde de alta intensidad inyectada en la cavidad desde un láser dy de estabilización de frecuencia.Los campos eléctricos y magnéticos aplicados en esta región de excitación pueden invertirse para crear un entorno reflejado para los átomos.

  Después de que el átomo sale de la región de excitación, la tasa de excitación del átomo se mide con un tercer láser de diodo rojo.Los cambios muy pequeños en esta tasa de excitación con un reflejo de los campos eléctricos y magnéticos aplicados indican la no conservación de la paridad.La precisión de la medida de no conservación de la paridad ha evolucionado durante varias décadas hasta un nivel del 0,35%.Esta precisión de medición corresponde al primer aislamiento definitivo de la violación de la paridad atómica dependiente del spin nuclear.Con este nivel de precisión, está claro que un componente de la interacción electrón-nuclear se debe a un momento anapole nuclear, un momento magnético que se puede visualizar como producido por distribuciones de corriente toroidales en el núcleo.

  Los láseres también contribuyen al campo de la astrofísica.En los primeros experimentos se usará un láser Nd: YAG con una longitud de onda de 10,6 μm para intentar detectar ondas gravitacionales de fuentes como las supernovas y las estrellas de neutrones en órbita.

  Estos experimentos usan interferómetros que deberían ser capaces de medir un cambio en la longitud entre los dos brazos del interferómetro con una precisión de una parte en 1022. Se predice una distorsión espacial de esta magnitud para la radiación gravitacional de fuentes astrofísicas.Los experimentos terrestres se denominan LIGO (Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro de luz) en EE. UU. Y GEO en Europa.Un experimento basado en el espacio llamado LISA (Light Interferometer Space Antenna) también está en progreso.Los brazos del interferómetro LIGO tienen 4 km de longitud cada uno.Para la fuente de luz se requiere un láser de frecuencia estable, bajo nivel de ruido y alta calidad de haz espacial a un nivel de potencia de 10 W.Los espejos de cavidad forman resonadores en cada brazo del interferómetro que aumentan la potencia en las cavidades a casi 1 kW.Cuatro barras Nd: YAG, cada lado bombeado por dos barras de diodos de 20 W, amplifican la salida de frecuencia única de un oscilador de anillo no plano de 700 mW a al menos 10 W. Lograr la sensibilidad requerida para detectar ondas gravitacionales significa resolver cada franja de interferómetro a unoparte en 1011, una meta formidable, pero con suerte alcanzable.

  IX.FUTURA DE LASER TECHNOLOGIES

  El láser de electrones libres y los aceleradores láser son ejemplos de tecnologías láser en desarrollo que pueden tener un gran impacto en el próximo siglo.El láser de electrones libres (FEL) se basa en la ganancia óptica de un haz de electrones relativista que se ondula en un campo magnético periódico (Sessler y Vaugnan, 1987).Los aceleradores de haz de electrones basados ​​en cavidades de microondas superconductoras se están desarrollando en un nuevo centro de FEL en Jefferson Laboratories.Estas cavidades aceleradas generan campos elevados en el rango de 10 a 20 MeV / m y permiten una generación muy eficiente de luz FEL que puede ajustarse desde el infrarrojo al ultravioleta profundo con niveles de potencia promedio en el rango de kilovatios (Kelley et al., 1996).En la actualidad, un FEL infrarrojo de potencia media de 1 kW está a punto de completarse y se está planificando una actualización a un FEL UV potente y profundo.En estos poderes inmensos, varias nuevas tecnologías pueden ser comercialmente interesantes.Los pulsos de FEL cortos e intensos pueden permitir un rápido recocido térmico y la limpieza de superficies metálicas.El recocido por láser pulsado puede dar como resultado un aumento de casi un orden de magnitud en la dureza de las máquinas herramienta.Los altos promedios de potencia FEL pueden ser suficientes para hacer realidad la producción comercial de herramientas mejoradas con láser.Otro gran   mercado que requiere altas potencias para el procesamiento de grandes volúmenes es la envoltura de polímero y la tela.En este caso, los pulsos de FEL intensos pueden inducir una amplia gama de propiedades de polímeros modificados que incluyen superficies de polímeros antibacterianos que podrían usarse para envolturas de alimentos y ropa con texturas agradables y durabilidad mejorada.Los altos promedios de potencia y la capacidad de ajuste de longitud de onda también son importantes para el diseño de herramientas de micromecanizado de área grande utilizadas para imprimir patrones en láminas de plástico.

  Los láseres Petawattclass pueden proporcionar la base para una nueva generación de aceleradores de partículas.La frecuencia de los aceleradores de campo de microondas que se utilizan actualmente probablemente estará limitada por estelas autogeneradas a menos de 100 GHz, donde los campos de aceleración alcanzan el rango de 100 MeV / m.Intensos rayos láser se utilizan para generar campos mucho más altos en el rango de 100 GeV / m (Madena et al., 1995).Por ejemplo, una técnica utiliza dos rayos láser cuya frecuencia de diferencia está sintonizada con la frecuencia de plasma de un gas ionizado por el láser.Se pueden generar campos de aceleración de hasta 160 GeV / m entre las regiones de carga espacial periódicas de la onda de plasma.Las velocidades de propagación de estos campos gigantescos pueden diseñarse para que coincidan con las velocidades relativistas de las partículas aceleradas.Queda mucho trabajo por hacer para lograr aceleradores prácticos, pero ya se ha logrado una prueba de principio.

  El desarrollo de tecnologías láser y sus contribuciones a la ciencia son demasiado numerosos como para cubrirlos adecuadamente en esta breve reseña.Las comunicaciones láser entre redes satelitales, naves espaciales propulsadas por láser y la fusión láser son ejemplos adicionales del desarrollo de tecnologías láser.En las ciencias básicas hay muchos experimentos nuevos que están siendo habilitados por la tecnología láser, incluida la corrección de las distorsiones atmosféricas en astronomía usando reflejos láser de la capa de sodio en la atmósfera superior y estudios de electrodinámica cuántica utilizando rayos láser ultra intensos.Así como fue difícil imaginar el potencial de las tecnologías láser en los años sesenta y setenta, parece claro que ahora no podemos imaginar los muchos nuevos desarrollos en los láseres y sus aplicaciones en el próximo siglo.Nuestra nueva fuente de luz láser seguramente nos afectará a todos, tanto en nuestras vidas ordinarias como en el mundo de la ciencia.