láser de 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. Maiman en los Laboratorios de Investigación Hughes el 16 de mayo de 1960. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

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

Un láser de rubí generalmente consta de una varilla de rubí que debe ser bombeada con energía muy alta, normalmente mediante un tubo de destello , para lograr una inversión de población . La varilla suele colocarse entre dos espejos, formando una cavidad óptica que hace oscilar la luz producida por la fluorescencia del rubí , provocando una emisión estimulada . El rubí es uno de los pocos láseres de estado sólido que producen luz en el rango visible del espectro, emitiendo a 694,3  nanómetros, en un color rojo intenso, con un ancho de línea muy estrecho de 0,53  nm. ^{[ 3 ]}

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 sintético que se energiza mediante bombeo óptico , generalmente con un tubo de destello de xenón . El rubí tiene bandas de absorción muy amplias y potentes en el espectro visible, a 400 y 550  nm, y una vida útil de fluorescencia muy larga de 3 milisegundos. Esto permite un bombeo de muy alta energía, ya que la duración del pulso puede ser mucho mayor 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. ^{[ 3 ]}

En los primeros ejemplos, los extremos de la varilla debían pulirse con gran precisión, de modo que quedaran planos con una tolerancia de un cuarto de longitud de onda respecto a la luz de salida, y paralelos entre sí con una desviación de arco de pocos segundos. Los extremos finamente pulidos de la varilla se recubrían de plata ; uno completamente y el otro solo parcialmente. La varilla, con sus extremos reflectantes, actúa entonces como un etalón Fabry-Pérot (o un etalón Gires-Tournois ). Los láseres modernos suelen utilizar varillas con recubrimientos antirreflectantes o con los extremos cortados y pulidos al 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. Normalmente se utilizan espejos curvos para reducir las tolerancias de alineación y formar un resonador estable, compensando a menudo el efecto de lente térmica de la varilla. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

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 suele constituir 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. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Una de las primeras aplicaciones del láser de rubí fue la medición de distancias. En 1964, los láseres de rubí con conmutadores Q de prisma giratorio se convirtieron en el estándar para telémetros militares , hasta la introducción de telémetros Nd:YAG más eficientes una década después. Los láseres de rubí se utilizaron principalmente en investigación. ^{[ 5 ]} 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. ^{[ 6 ]} Los láseres de rubí se utilizan raramente 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 banda de absorción ancha del diamante (la banda GR1) en el rojo. ^{[ 5 ] [ 7 ]}

El uso de láseres de rubí ha disminuido con el descubrimiento de mejores medios láser. Sin embargo, todavía se utilizan en diversas aplicaciones donde se requieren pulsos cortos de luz roja. Hológrafos 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 del Nd:YAG de frecuencia duplicada , que a menudo requiere múltiples pulsos para hologramas grandes. ^{[ 8 ]} Muchos laboratorios de ensayos no destructivos utilizan láseres de rubí para crear hologramas de objetos grandes, como neumáticos de avión, para buscar puntos débiles en el revestimiento. Los láseres de rubí se utilizaron ampliamente en la eliminación de tatuajes y 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 logró poner 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 visible o infrarroja del espectro.

En 1958, tras la publicación en la revista Physical Review de un artículo del inventor del máser, Charles Townes , y su colega Arthur Schawlow sobre la idea de los máseres ópticos, comenzó la carrera por construir un modelo funcional. El rubí se había utilizado con éxito en máseres, por lo que se convirtió en la primera opción como posible material. Durante una conferencia en 1959, Maiman escuchó un discurso de Schawlow en el que describía el uso del rubí como material láser. Schawlow afirmó que el rubí rosa, al tener un estado de energía más bajo demasiado cercano al estado fundamental, requeriría demasiada energía de bombeo para el funcionamiento del láser, sugiriendo el rubí rojo como posible alternativa. Maiman, que llevaba muchos años trabajando con rubí y había escrito un artículo sobre la fluorescencia del rubí, consideró que Schawlow era demasiado pesimista. Sus mediciones indicaron que el nivel de energía más bajo del rubí rosa podía, al menos parcialmente, agotarse mediante bombeo con una fuente de luz muy intensa, y, dado que el rubí estaba fácilmente disponible, decidió probarlo de todos modos. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

También asistió a la conferencia Gordon Gould . Gould sugirió que, al pulsar el láser, se podrían producir potencias máximas de hasta un megavatio. ^{[ 11 ]}

Con el paso del tiempo, muchos científicos comenzaron a dudar de la utilidad del rubí como medio láser. Maiman también tenía sus dudas, pero, siendo una persona muy perseverante, continuó trabajando en su proyecto en secreto. Buscó una fuente de luz lo suficientemente intensa para excitar la varilla y una cavidad de bombeo elíptica de alta reflectividad para dirigir la energía hacia ella. 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 tal intensidad, no necesitaba una cavidad de bombeo tan reflectante y, con la lámpara helicoidal, tampoco necesitaría que tuviera forma elíptica. Maiman construyó su láser de rubí en los Laboratorios de Investigación Hughes, en Malibú, California. ^{[ 12 ]} Utilizó una varilla de rubí rosa, que medía 1  cm por 1,5  cm, y, el 16 de mayo de 1960, disparó el dispositivo, produciendo el primer haz de luz láser. ^{[ 13 ]}

El láser de rubí original de Theodore Maiman sigue en funcionamiento. ^{[ 14 ]} Fue demostrado el 15 de mayo de 2010 en un simposio organizado conjuntamente en Vancouver, Columbia Británica, por la Fundación Dr. Theodore Maiman Memorial y la Universidad Simon Fraser , donde el Dr. Maiman era profesor adjunto en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería. El láser original de Maiman fue disparado contra una pantalla de proyector en una sala oscura. En el centro de un destello blanco (fuga del tubo de destello de xenón), se pudo ver brevemente un punto rojo.

Los láseres de rubí no emitían un solo pulso, sino una serie de pulsos, consistentes en una serie de picos irregulares dentro de la duración del pulso. En 1961, Robert W. Hellwarth inventó un método de conmutación Q para concentrar la salida en un solo pulso. ^{[ 15 ]}

En 1962, Willard Boyle , trabajando en Bell Labs , 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 bombeó al extremo de una varilla muy pequeña para lograr la inversión de población necesaria. El láser no emitía una onda continua , sino un tren continuo de pulsos, lo que brindó a los científicos la oportunidad de estudiar la salida en picos del rubí. ^{[ 16 ]} El láser de rubí continuo fue el primer láser utilizado en medicina. Fue utilizado por Leon Goldman, pionero en medicina láser , para tratamientos como la eliminación de tatuajes, el tratamiento de cicatrices y la inducción de la curación. Debido a sus limitaciones en potencia de salida, sintonización y las complicaciones en el funcionamiento y la refrigeración de las unidades, el láser de rubí continuo fue rápidamente reemplazado por láseres de colorante , Nd:YAG y argón más versátiles . ^{[ 17 ]}