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MEMORIA ESTUDIO SOBRE LAS APLICACIONES INDUSTRIALES DEL LÁSER Alumno: Javier Esténoz Valenzuela Especialidad: Electrónica Industrial Director: Miguel Ángel Torres Portero Convocatoria: Marzo 2011 PROYECTO FIN DE CARRERA Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 1 Índice 1.- Introducción histórica..................................... 4 2.- Estructura y funcionamiento del láser.......... 7 2.1.- Absorción....................................................... 10 2.2.- Emisión espontánea de radiación................. 11 2.3.- Emisión estimulada de radiación.................. 12 2.4.- Bombeo........................................................... 12 2.5.- Resonador óptico........................................... 15 3.- Tipos de láseres............................................................... 18 3.1.- Láser sólido.................................................... 18 3.1.1.- Láser de cromo en rubí sintético.......... 18 3.1.2.- Láser de neodimio-YAG........................ 23 3.2.- Láser de gas .................................................. 24 3.2.1.- Láser de helio-neón................................ 25 3.2.2.- Láser de CO2.......................................... 31 3.3.- Láser semiconductor...................................... 33 3.3.1.- Funcionamiento y características principales.......................................................... 33 3.3.2.- Láser de hetereoestructura................... 43 3.3.3.- Láser de pozo cuántico.......................... 46 3.3.4.- Láser de hilo cuántico............................ 51 3.3.5.- Láser de punto cuántico........................ 52 3.3.6.- Diodo láser azul...................................... 53 3.4.- Otros láseres ................................................ 54 4.- Seguridad......................................................... 58 5.- Tratamiento del haz........................................ 67 5.1.- Transformaciones de un haz láser.............. 67 Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 2 5.2.- Interacción del láser con los materiales....... 69 5.3.- Enfoque del haz.......................................... 72 5.4.- Estado superficial del material..................... 73 5.5.- Régimen de funcionamiento del láser .......... 73 5.6.- Aporte de gas.............................................. 73 5.7.- Elementos ópticos........................................ 75 6.- Sistemas láser................................................... 81 7.- Aplicaciones..................................................... 90 7.1.- Soldadura de materiales ............................. 91 7.1.1.- Proceso de soldadura por láser............. 91 7.1.2.- Soldadura de metales............................. 95 7.1.3.- Geometría de soldadura........................ 105 7.1.4.- Microsoldadura y soldadura de no metales 106 7.1.5.- Ejemplos de aplicación.......................... 110 7.1.6.- Comparativa con otros métodos de soldadura............................................................ 116 7.2.- Corte de materiales ........................................ 118 7.2.1.- Proceso de corte por láser..................... 118 7.2.2.- Sistemas de corte.................................... 122 7.2.3.- Corte de metal........................................ 126 7.2.4.- Corte de plásticos................................... 127 7.2.5.- Corte de madera..................................... 129 7.2.5.- Corte de otros materiales...................... 130 7.2.6.- Ejemplos de aplicación.......................... 131 7.2.7.- Comparativa con otros métodos de corte 134 7.3.- Perforado de materiales................................. 136 7.3.1.- Proceso de perforado por láser............. 136 7.3.2.- Geometría del taladrado....................... 141 7.3.3.- Ejemplos de aplicación.......................... 143 Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 3 7.3.4.- Comparativa con otros métodos de perforado............................................................ 147 7.4.- Marcaje de materiales................................. 149 7.4.1.- Proceso de marcaje por láser................ 149 7.4.2.- Tipos de marcaje.................................... 156 7.4.3.- Ejemplos de aplicación.......................... 165 7.4.4.- Comparativa con otros métodos de marcaje............................................................... 170 7.5.- Tratamiento superficial............................... 174 7.5.1.- Proceso de tratamiento superficial por láser.............................................................. 174 7.5.2.- Endurecimiento térmico........................ 175 7.5.3.- Fusión superficial................................... 177 7.5.4.- Aleación superficial................................ 179 7.5.5.- Ejemplos de aplicación.......................... 181 7.6.- Otras aplicaciones........................................ 188 6.4.1.- Medición tridimensional con láser....... 188 6.4.2.- Medición de velocidad........................... 199 6.4.3.- Sistemas de conteo.................................. 212 6.4.4.- Nivelación de terrenos agrícolas........... 216 8.- Perspectivas de futuro de las aplicaciones del láser............................................................... 218 9.- Normativa........................................................ 230 10.- Bibliografía.................................................... 241 Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 4 1.- Introducción histórica. La palabra láser, que significa light amplification by stimulated emission of radiation, proporciona una idea clara de la naturaleza del sistema. Se trata de un dispositivo que produce luz amplificada por emisión estimulada, lo que genera un haz de gran intensidad, direccionalidad y coherencia. El término láser abarca la gran variedad de sistemas capaces de producir este tipo de radiación, independientemente de los mecanismos que se empleen para conseguirlo. La historia del láser se remonta al año de 1916, cuando Albert Einstein estudió y predijo el fenómeno de emisión estimulada en los átomos, según el cual un átomo que recibe luz de la misma longitud de onda de la que puede emitir, es estimulado a emitirla en ese instante. El siguiente trabajo fundamental para la evolución posterior del láser fue el del bombeo óptico, desarrollado a principios de la década de los cincuenta por Alfred Kastler (1902-1984), nacido en Guewiller, Alsacia, y educado en Colmar, entonces posesión alemana. Durante la primera Guerra Mundial Kastler fue enrolado en el ejército alemán, pero al concluir la guerra ingresó a la École Normale Supérieure en París, donde obtuvo su maestría. Más tarde obtuvo el doctorado en física en la Universidad de Bourdeaux. Desde entonces hasta su muerte vivió en Francia. En 1974 Kastler estuvo de visita algunos días en el Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica, en Tonantzintla, Puebla. Era una persona dotada de un gran carisma y sencillez, que afirmaba que los grandes descubrimientos científicos como los que él había hecho se lograban simplemente manteniendo la mente despierta para examinar cualquier acontecimiento imprevisto. El trabajo de Kastler sobre el bombeo óptico, basado en técnicas de resonancia ópticas, fue desarrollado con la colaboración de su alumno Jean Brossel, de la École Normale Supérieure de París, y fructificó con el descubrimiento de métodos para subir el nivel energético de los átomos; dicho de otro modo, métodos para que los electrones de los átomos suban al nivel deseado, utilizando efectos de resonancia óptica. Estos métodos recibieron el nombre de bombeo óptico por el mismo Kastler, quien mereció el premio Nobel de física en 1966. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 5 Charles H. Townes (1915- ) se encontraba en la ciudad de Washington el mes de abril de 1951, para asistir a una reunión científica. En el hotel compartía una habitación con su amigo, Arthur Schawlow. En esta época Townes se encontraba muy preocupado por encontrar un método para producir ondas de radio de longitud de onda muy corta, del orden de milímetros. Townes, casado y con hijos, tenía la costumbre de levantarse muy temprano, mientras que Schawlow, que era soltero, acostumbraba levantarse muy tarde. La mañana del día 26, Townes, como de costumbre, se levantó muy temprano, y para no molestar a su amigo salió del cuarto en silencio y se dirigió al parque Franklin, cercano al hotel. Cuenta el mismo Townes que fue en ese parque, aquella mañana, donde se le ocurrió un método para producir microondas usando el fenómeno de la emisión estimulada, basándose en la predicción de Einstein y en los estudios sobre bombeo óptico que realizó Alfred Kastler. La comprobación de su idea se la propuso como trabajo de tesis doctoral a su alumno James P. Gordon, en la Universidad de Columbia. Tres años les tomó construir, con la colaboración de Herbert Zeiger, un dispositivo que amplificaba microondas mediante emisión estimulada, al que llamaron máser (microwave amplification by stimulated emission of radiation). Independientemente, sin tener ninguna conexión con Townes, Nicolai G. Basov (1922- ) y Aleksandr M. Prokhorov (1916- ) obtuvieron resultados similares en el Instituto Levedev de Moscú. Townes, Basov y Prokhorov compartieron el premio Nobel de física en 1964. En septiembre de 1957, Townes, junto con su colega, amigo y ahora cuñado Arthur Schowlow, comenzaron a pensar en el problema de construir ahora otro dispositivo similar al máser, pero que emitiera luz en lugar de microondas. Es interesante conocer la anécdota de que Townes solicitó una patente para artefactos que emitieran luz por el mecanismo de emisión estimulada, y de que poco después lo hizo también otro investigador de la misma Universidad de Columbia, llamado Gordon Gould, reclamando prioridad. Hay algunos que creen que Gould tenía razón. Lo cierto es que nadie niega que sí hizo algunos descubrimientos similares independientemente. Hasta la fecha sigue el pleito legal sobre quién tiene la razón. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 6 En 1957, los físicos americanos A.Javan y H.Mainan lograron la producción de osciladores de tipo radioeléctrico que operaban gracias a la emisión estimulada y cuya cuyas longitudes de onda pertenecían a la región visible. Finalmente, Theodore H. Maiman en 1960 consiguió la producción de luz láser utilizando un cristal de rubí, óxido de aluminio con pequeñas impurezas de cromo. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 7 2.- Estructura y funcionamiento del láser. Un láser es, ante todo, una fuente de luz. Sin embrago, la luz generada por un láser tiene unas propiedades que la distinguen de la luz obtenida por las fuentes convencionales y la hacen mucho más útil y manejable. El grado de coherencia temporal y espacial, a potencias muy elevadas, es de muchos órdenes de magnitud superior a cualquier otra fuente de luz conocida. A fin de ilustrar lo anterior, consideremos una fuente luminosa muy pequeña a la que llamaremos puntual, que emite luz cuyos frentes de onda son esféricos y concéntricos con dicho punto. Si colocamos una lente convergente frente a esta fuente luminosa, como se muestra en la figura 1(a), veremos que la onda se refracta, haciéndose ahora el haz luminoso convergente a un punto después de esta lente. Este ejemplo es sólo imaginario e idealizado, pues las fuentes luminosas puntuales no existen en la vida real, ya que por pequeñas que sean tienen un tamaño finito. Por lo tanto, las fuentes luminosas reales no emiten una sola onda con frentes de onda esféricos, sino una multitud, cada una de ellas saliendo de un punto diferente sobre la fuente. Al colocar ahora la lente convergente frente a esta fuente de luz, la energía luminosa ya no se concentra en un punto infinitamente pequeño después de la lente, como en nuestro experimento imaginario. Lo que se obtiene es simplemente una imagen de la fuente luminosa, con la energía distribuida sobre toda su área, como se muestra en la figura 1(b). Figura 1. Lente convergente frente a una fuente luminosa a una distancia mayor que su distancia focal. (a) Fuente puntual y (b) fuente extendida. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 8 Volviendo de nuevo a nuestro experimento idealizado, supongamos que la lente se coloca frente a la fuente luminosa puntual, de tal manera que quede sobre el foco de la lente convergente, como se muestra en la figura 2(a). La luz saldría entonces de la lente en un haz de rayos paralelos, o lo que es lo mismo, con frentes de onda planos y paralelos entre sí, como se muestra en esta misma figura. Como las fuentes luminosas no son infinitamente pequeñas, la luz no saldrá como un haz de rayos paralelos, sino como una multitud de haces, todos viajando en diferentes direcciones, como se muestra en la figura 2(b). De esta manera se esparce la energía luminosa en la forma de un cono divergente. Se dice que la fuente infinitamente pequeña o puntual tiene una coherencia espacial perfecta, mientras que la extendida la tiene muy pobre. Figura 2. Lente convergente con una fuente luminosa colocada en su foco anterior. (a) Fuente puntual y (b) fuente extendida. Desafortunadamente, son muchísimas las situaciones en las que es necesario tener una gran coherencia espacial: por ejemplo, para tener un frente de onda único en interferometría, para concentrar la energía luminosa en un punto muy pequeño a fin de obtener una densidad de energía muy alta, o para enviar el haz luminoso a gran distancia. Como es fácil de entender, se puede obtener una fuente luminosa de gran coherencia espacial colocando simplemente una hoja de papel aluminio con una perforación muy pequeña hecha con una aguja sobre una fuente de luz extendida. Sin Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 15 2.5.- Resonador óptico En un medio activo en el que se produce un bombeo y, por consiguiente, obtenemos una inversión de población entre dos niveles energéticos (En, Em), de forma espontánea, los átomos que se encuentran en el nivel En se desexcitarán y pasarán a tener una energía Em emitiendo el fotón correspondiente a esa transición. Este fotón recorrerá el medio activo y antes de salir de él influirá en otros átomos que se encuentren en el nivel En haciendo que estos se desexciten por un proceso de emisión estimulada de fotones que se unirán al primero e irán en la misma dirección y sentido. Si el medio activo posee una longitud mayor en un eje que en los otros dos, los fotones que sean emitidos en la dirección de ese eje interaccionarán con muchos más átomos, consiguiéndose una amplificación mayor en ese eje que en los otros dos, donde los fotones llegarán rápidamente al límite físico del medio activo interrumpiendo su amplificación. Si se coloca un espejo en cada extremo del eje mayor, orientados perpendicularmente a éste, forzaremos a la onda luminosa que sale por estos extremos del medio activo, a volver a entrar en él. Es muy importante que los espejos estén orientados perfectamente paralelos entre sí ya que una desviación por muy pequeña que fuera haría que la onda se perdiera lateralmente en unas pocas reflexiones consecutivas. Con este método se selecciona la dirección en que se van a emitir los fotones que genere el medio ya que tenemos una onda intensa que se mueve en una dirección del medio activo y que fuerza la mayoría de átomos que se encuentran en el nivel energético En a desexcitarse, emitiendo un fotón que se una a ella. Para conseguir una extracción de la luz que está confinada entre los dos espejos se coloca uno de ellos semitransparente de forma que un porcentaje de la luz que llega a él se refleja y el resto lo atraviesa. Esta parte de luz que atraviesa el espejo es un haz de luz láser. La onda que recorre el medio activo va despoblando el nivel superior de la transición y hace que disminuya la inversión de población. Al mismo tiempo, la potencia de la onda que sale por el espejo delantero va aumentando, hasta que llega una Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 16 situación de equilibrio en la cual la energía que gana la onda en un recorrido completo, ida y vuelta por el medio activo, se iguala a la energía que pierdo debido a la transmisión por el espejo delantero. La ganancia del medio se ha saturado en un valor en el que las pérdidas del sistema se igualan a las ganancias en un recorrido, de este modo se obtiene una potencia de salida constante. Cuando se llega a esta situación estacionaria, el aumento de inversión de población, debida al bombeo del medio activo, se ve compensada exactamente por la disminución que sufre por la emisión estimulada que se genera. El resonador es el lugar donde tenemos confinada la onda que sufre la amplificación y que determina la forma que va a tener el rayo. Por lo tanto, el resonador en un láser está, en general, abierto en dos de sus ejes y cerrado por dos espejos en el otro eje, uno de los cuales introduce pérdidas en el sistema. Son estas pérdidas, precisamente, lo que se aprovecha del sistema, y configuran lo que denominamos rayo láser. Para que el resonador sea estable debe suceder que la onda que se propaga por su interior se encuentre en el mismo estado después de haber realizado un recorrido completo dentro del resonador. La calidad del haz generado en un resonador estable es mayor, tanto en lo que se refiere a su distribución en potencia como a su divergencia. Matemáticamente, la condición de estabilidad está determina por la siguiente ecuación: 1110 21                  R L R L . Donde R1 y R2 son los radios de los espejos del resonador y L la distancia entre ellos. Un resonador láser constituido únicamente por el medio activo y los dos espejos emitirá un haz aleatoriamente polarizado, es decir, variable con el tiempo. Existen dispositivos que permiten la emisión de un haz láser linealmente polarizado de forma estable. El dispositivo más comúnmente utilizado para conseguir una emisión polarizada consiste en la colocación de una lámina de un material transparente a la radiación del láser en algún lugar entre los espejos, con una inclinación característica que depende del material y de la longitud de onda. El ángulo que forma la lámina con el Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 17 eje del resonador se denomina ángulo de Brewster y es igual a la arcotangente del índice de refracción del material que constituye la lámina (figura 5). Figura 5. Resonador láser con emisión de luz polarizada por la colocación intracavidad de dos láminas en ángulo de Brewster. El funcionamiento de este sencillo dispositivo se basa en una propiedad de los materiales no conductores. Existe para estos materiales un ángulo (Brewster) para el cual la reflexión de la luz polarizada en la dirección paralela al plano de incidencia es nula. No sucede lo mismo para la luz polarizada en sentido perpendicular al plano de incidencia, en cuyo caso parte de la luz es transmitida y parte es reflejada. Al favorecer un sentido de polarización dentro del resonador, los nuevos fotones que se sumen a la onda por un efecto de emisión estimulada tienen una mayor probabilidad de hacerlo con la polarización predominante. De esta forma, la luz polarizada en sentido normal se extingue rápidamente al cabo de unos poco recorridos, y el láser emite un haz de luz linealmente polarizado en la dirección paralela al plano de incidencia sobre el de Brewster. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 18 3.- Tipos de láseres Los diferentes tipos de láseres se clasifican ateniendo a la naturaleza de su medio activo: 3.1.- Láser sólido El término estado sólido se refiere a láseres de estructura cristalina o de materiales vítreos dopados con ion apropiado, no incluye los láseres semiconductores. Los láseres considerados aquí se bombean ópticamente. La energía eléctrica se convierte en luz de banda ancha mediante una descarga de arco o un filamento caliente. Para usar esta luz de modo que se produzca inversión de población en el medio activo del láser, debe inventarse un medio eficiente de acoplamiento óptico. Cuando el medio activo de láser está contenido en un resonador óptico, la ganancia resultante de la inversión de población causa oscilación y se emite radiación coherente intensa. 3.1.1.- Láser de cromo en rubí sintético Este tipo de láser posee como sustancia ópticamente activa una barra de rubí sintético con impurezas de cromo. El rubí es una piedra preciosa formada por cristales de óxido de aluminio Al2O3, que contiene una pequeña concentración de alrededor de 0.05% de impurezas de óxido de cromo Cr2O3 (el óxido de aluminio puro, Al2O3, se llama zafiro). La presencia del óxido de cromo hace que el transparente cristal puro de óxido de aluminio se torne rosado y llegue a ser hasta rojizo si la concentración de óxido de cromo aumenta. Las longitudes de la barra no sobrepasan los 20 cm y secciones transversales máximas de 2 cm. Las impurezas de cromo son las responsables de proporcionar los niveles energéticos requeridos para la operatividad de este dispositivo. Como fuente de excitación usa una lámpara de helicoidal de destello, hecha de cuarzo y con gas xenón en su interior. Esta lámpara es la encargada de producir la inversión de población. Este láser opera con un sistema de tres niveles, aunque el nivel de mayor energía en realidad corresponde a una banda de energía producida por el hecho de que el cromo se encuentra en una estructura cristalina. El nivel intermedio corresponde a un estado Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 19 metaestable (nivel láser). Entre el nivel fundamental y el nivel intermedio se producirá la inversión de población. (Figura 6). Figura 6. Diagrama de energías del medio activo Cr++ del láser de rubí. Como cavidad óptica resonante, el sistema utiliza un par de espejos en los extremos de la barra que, por lo general, son construidos pulimentando cuidadosamente las secciones transversales opuestas de la barra, las cuales se recubren con una capa de plata, de tal manera que una de las caras resulta prácticamente reflectora y la otra totalmente reflectora; por la capa especular de reflexión parcial se libera el haz de luz amplificado. Figura 7. Componentes de láser sólido de rubí: fuente de energía, medio activo y cavidad resonante. El proceso de emisión de láser de produce de la siguiente manera: Al recibir energía por destello de la lámpara de xenón (bombeo óptico), los iones de cromo se excitan hacia los estados de la banda de energía superior (transición 1→3 Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 20 en la figura 6). La gama de frecuencias necesarias para ingresar en la banda de energía de esta región corresponde al intervalo de colores amarillo-verde del espectro. Después de una muy corta duración en la banda (≈10-8 seg), se produce una transmisión de emisión espontánea hacia los niveles de menor energía 1 y 2. La probabilidad de transición al estado 1 resulta mucho menor, por esta razón la gran mayoría lo hace hacia el estado 2 (transición 3→2 en la figura 6), con un tiempo de permanencia en este estado del orden de los 10-3 seg. Si la potencia de la fuente de energía es suficiente, se logra el número de estados excitados en el nivel 2 sea mayor que en el nivel fundamental 1 y, en consecuencia, se consigue la inversión de población entres los niveles 1 y 2. Conseguida la inversión de población, la siguiente transición ocurre entre el nivel metaestable y el fundamental (transición 2→1 en la figura6) en la que se emiten fotones con una longitud de onda igual a 6943 Å perteneciente al color rojo del espectro. Estos fotones inducen transiciones sobre los estados excitados en el nivel metaestable de iones vecinos que estimulan en cascada una producción de fotones por emisión estimulada. Aquellos fotones paralelos o que forman un ángulo pequeño con el eje de la barra de rubí sufren sucesivas reflexiones entres los espejos de la cavidad estimulando a su paso un número cada vez mayor de fotones (en el caso de emisión estimulada, el fotón emitido posee la misma dirección, fase, polarización y frecuencia del fotón incidente). Aquellos fotones que son emitidos en otras direcciones se escapan por los laterales del cristal. Como el recorrido de los fotones a lo largo del eje de la barra es grande comparado con la sección transversal, se va a producir una cascada de fotones con un sentido preferencial en dirección al eje. Después de un gran número de reflexiones en los espejos, que hacen posible la existencia de un haz luminoso lo suficientemente intenso, una parte escapa hacia el exterior de la cavidad por el espejo semirreflector conformando el rayo láser de salida. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 21 Figura 8. Etapas del láser. a) Los iones de cromo se encuentran en el estado fundamental. b) Se aplica la fuente de excitación, muchos iones pasan a su estado de excitación. c) Algunas emisiones de los iones excitados estimulan emisiones de iones vecinos. d) Los fotones que se mueven en dirección paralela al eje de la barra de rubí se reflejan por los espejos. e) La proporción del haz que se escapa por espejos semirreflector conforma el rayo láser de salida Para evitar la interferencia destructiva del alto número de trenes de onda originados por las múltiples reflexiones de la luz en la cavidad, se requiere que la distancia entre los espejos L corresponda con un múltiplo de semilongitudes de onda: N L2   , Con N: número entero positivo que define la oscilación Figura 9. Ondas estacionarias en una cavidad resonante La condición expuesta genera lo que se denomina una onda estacionaria en una cavidad resonante. En realidad, la monocromaticidad perfecta no se da. La luz emitida presenta una dispersión que se manifiesta en el acho de la línea espectral. De este intervalo de dispersión, la cavidad únicamente selecciona aquellas longitudes de onda que cumplen el requisito de la ecuación anterior. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 22 Debido a que únicamente los fotones con dirección paralela al eje de la barra de rubí son reflejados un gran número de veces, el haz resultante presenta una dispersión angular muy pequeña. Esta propiedad de direccionalidad es determinante, ya que la energía transportada puede ser colectada y enfocada fácilmente sobre áreas muy pequeñas. Cuando la luz abandona la cavidad, el grado de divergencia básicamente se da por el fenómeno de difracción. El ángulo de divergencia en radianes (en el límite de difracción) está dado por: D K    , donde K es un factor numérico del orden de la unidad, D es el diámetro de la apertura por donde sale el haz y  corresponde a la longitud de onda del haz. El ángulo de divergencia para el láser de rubí corresponde aproximadamente a 5mrad. Los láseres de rubí suelen trabajar en régimen pulsado, siendo su rendimiento inferior al 0.1%. Si opera con un dispositivo Q-switch se pueden obtener pulsos de 10 a 50 MW de una duración que oscila entre 10 y 20ns. Conmutación de Q Si se observa la radiación producida por el láser de rubí, se encuentra una distribución de intensidad totalmente carente de uniformidad, ya que el destello luminoso responsable de la excitación del medio activo, aunque posee una duración muy pequeña, da tiempo suficiente para que ocurran cargas y descargas de la población excitada con emisión estimulada. Esto se traduce en la presencia de una serie de impulsos muy cortos presentes en la emisión láser. Figura 10. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 23 Para evitar ciclos de inversión de población y descarga de mientras aún la lámpara no ha cesado su emisión (hecho que desfavorece la emisión de un solo destello de gran potencia), se acude a mecanismos capaces de sincronizar la duración del destello con el nivel correspondiente de inversión de población. Uno de estos mecanismos consiste en suprimir uno de los espejos mientras la lámpara de destello este actuando, lo cual no permite que por reflexiones sucesivas de los fotones se produzca la descarga de estados excitados. Para suprimir uno de los espejos de la cavidad con un tiempo de ausencia sincronizado con el destello de la lámpara, se puede hacer uso de un espejo de tipo rotatorio, con frecuencia de rotación sintonizada para que sea perpendicular al eje de la barra de rubí cuando se requiera producir la descarga de la inversión de población; con esto, se consigue un solo pulso de gran intensidad. Este tipo de procedimiento toma el nombre de conmutación en Q activo. Existe una versión de conmutación en Q pasivo, en la cual se hace uso de la rodamina, cuyas moléculas tienes la propiedad de ser opacas a la luz y hacerse transparentes una vez que la han absorbido. Si se cubre uno de los espejos del láser de rubí con esta sustancia, cuando prende la lámpara, la sustancia absorbe la luz, hecho que no permite que el espejo pueda cumplir su tarea reflectiva y, por tanto, se comporta como si estuviera ausente. Como en el caso anterior, esto no permite que se produzca un pulso de descarga de población de estados excitados del medio activo mientras que la lámpara de aún se encuentra encendida. Y como la sustancia se hace transparente una vez absorbida la luz, el espejo se habilita nuevamente para permitir la operación amplificadora de la cavidad resonante y la emisión de rayo láser. Una vez que se emite el pulso láser, la sustancia de desactiva para volverse nuevamente opaca a la luz, e iniciar el nuevo ciclo 3.1.2.- Láser de neodimio-YAG Los iones triplemente cargados del neodimio, una de las tierras raras, se utilizan como impurezas en una gran variedad de materiales, teniendo una amplia gama de propiedades útiles. El esquema básico de los cuatro niveles de energía permanece prácticamente inalterado aun en materiales huéspedes tan diversos como el tungstato de calcio cristalino y vidrio óptico. En todos los materiales huéspedes irradia e 1.06 micrones, en el infrarrojo. Este comportamiento tan constante es debido al efecto Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 24 pantalla de las capas exteriores cerradas en la estructura electrónica de los iones de las tierras raras. Sin embargo, el huésped tiene influencia en la relativa importancia de las bandas de bombeo. Un material que tiene mejores propiedades térmicas que el tungstato de calcio cristalino es el granate de ytrio y aluminio impurificado con neodimio (YAG). Los láseres con un medio activo conformado por YAG impurificado con neodimio son de cuatro niveles. El sistema de bombeo es similar al de láser de rubí haciendo uso de una lámpara de destello, y puede funcionar en emisión continua con una longitud de onda aproximada de 1060 nm que corresponde al infrarrojo. Si las impurezas de neodimio se colocan en vidrio de fosfato y silicato, se pueden obtener barras de un tamaño considerable y con mayor potencia que en el caso YAG, aunque su modo de operación resulta a impulsos. La longitud de onda del láser de neodimio en vidrio es igual a la de neodimio-YAG. 3.2.- Láser de gas Desde que se propuso el sistema láser con un medio activo gaseoso, son numerosos los tipos de láser fabricados con esta opción. Estos medios gaseosos han resultado ventajosos en cuanto a la coherencia, a la monocromaticidad, a la estabilidad, etc. Una clasificación de este tipo de láseres resulta un poco difícil debido a la gran de sustancias utilizadas, sin embargo, pueden agruparse en tres clases: * Láseres atómicos, con potencias que pueden alcanzar el orden del vatio. Uno de los láseres más conocidos es el de helio-neón. * Láseres moleculares, capaces de producir potencias de orden de los megavatios en impulsos muy breves. * Láseres iónicos, que producen longitudes de onda en el espectro visible ultravioleta con potencias que van desde una fracción de vatio hasta alguno cientos de vatios. Entre los más significativos están los de argón y criptón. Todos los láseres gaseosos operan con transiciones entre dos niveles de energía de algún átomo o molécula. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 31 3.2.2.- Láser de CO2 El láser de dióxido de carbono opera con un gas de moléculas de CO2 que son excitadas por colisión resonante por moléculas de N2 (gas que facilita la inversión de población). Para la emisión láser, los estado de excitación del CO2 son de tipo vibracional. El mecanismo para producir luz láser opera de la siguiente manera: por descarga eléctrica, las moléculas de N2 absorben energía que permite que se produzcan excitaciones, en particular a un nivel de energía muy similar al nivel 001 de la molécula de CO2 (figura15). Por colisión resonante entre moléculas de N2 y CO2, se logra excitar las moléculas de CO2 al menciona nivel 001. De este nivel, se pueden producir dos transiciones láser: una al nivel 100 con una longitud de onda de 10600nm (transición más común) y otra al nivel 020 con longitud de onda de 9600nm, emisiones que corresponden al infrarrojo. El láser de CO2 básicamente está caracterizado por la longitud de onda de 10600nm debido a que este tipo de radiación resulta la dominante. Para evitar la permanencia sensible en el nivel 010, lo cual resulta indeseable para la inversión de población, se hace uso de las moléculas de He que contribuyen a vaciar dicho nivel y al enfriamiento de los gases, debido a su alta conductividad térmica. Figura 15. Diagrama de los niveles de energía de las molécula de CO2 y N2. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 32 Los gases están contenidos en un tubo de vidrio de alta resistencia térmica, en donde el flujo axial de gas se mantiene a lo largo del tubo. Dos espejos en sus extremos conforman la cavidad resonante, uno totalmente reflector y el otro solo parcialmente (85%). En otro tipo de láser de CO2, denominado de tubo sencillo, el gas se encuentra en un depósito que rodea al tubo de descarga, con los espejos situados en el exterior de dicho tubo. El láser de CO2 puede emitir en modo continuo o en modo pulsante, con un rango de potencia de salida que va desde algunas fracciones de vatio hasta los miles de vatio. La siguiente imagen muestra los componentes fundamentales de un láser de CO2. Figura 16. Componentes fundamentales del láser de CO2. La fuente de energía está conformada por una fuente de voltaje necesaria para producir la descarga eléctrica responsable de la excitación de las moléculas de N2. La sustancia activa es una mezcla de gas de CO2 con N2, en el primero se produce la inversión de población. La cavidad resonante conformada por dos espejos total y parcialmente reflectores colocados en los extremos de un tubo de vidrio resistente al calor. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 33 3.3.- Láser semiconductor Los láseres semiconductores corresponden simplemente a diodos semiconductores capaces de emitir luz coherente cuando se excitan con una corriente eléctrica. Aunque su monocromaticidad no es tan pura como en otros láseres, resultan significativamente importantes en la industria de las comunicaciones, optoelectrónica, microelectrónica, computación, entre otras aplicaciones. El primer estudio teórico sobre la utilización de semiconductores para la realización de un láser fue realizado por Basov en 1961. En 1962, R. Hall construyó el primero de estos dispositivos con una temperatura de operación de -196º C, limitación que fue superada en 1970, cuando se fabricó el primer láser semiconductor que podía trabajas a temperatura ambiente. 3.3.1.- Funcionamiento y características principales. - Emisión y absorción de radiación en la unión P-N En un material cristalino semiconductor se pueden producir tres procesos de carácter óptico: absorción espontánea de radiación, emisión espontánea y emisión estimulada. Cuando se produce la absorción espontánea, un portador de carga excitado por un fotón cuya energía supera el gap entre la banda de valencia y la de excitación, Ahora, si un electrón es el portador excitado en la banda de conducción, después de un tiempo de vida media muy pequeño decae a la banda de valencia, eliminando un hueco y radiando un fotón con una energía correspondiente a la de transición. Para el caso de semiconductores extrínsecos dopados con impurezas, también pueden tener lugar transiciones entre las bandas referidas y los niveles de energía de impurezas, o entre estos niveles de impurezas. Figura 17. Proceso de absorción espontánea de radiación. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 34 Si la transición espontánea toma lugar entre estados correspondientes al valor mínimo de la banda de conducción de energía Ec y el valor máximo de la banda de valencia Ev estados separados por una energía Eg=Ec+Ev y ya que la rapidez del fotón puede escribirse como c=λυ y su energía como E=hυ, que es igual a Eg, la longitud de onda del fotón emitido por la transición del gap puede ser obtenida de la expresión: g g gE ch   . Cuando un electrón ha sido excitado y se encuentra en la banda de conducción, un fotón puede inducir su transición a la banda de valencia generándose la emisión de un fotón de la misma frecuencia y fase del fotón incidente. Este tipo de radiación se denomina radiación estimulada. A partir de este tipo de radiación se va concretar la posibilidad de producir radiación láser con el uso de materiales semiconductores. Figura 18. Emisión estimulada. - Inyección de portadores minoritarios El punto de partida para la configuración de un láser semiconductor es una unión P-N, la cual se encuentra conformada por un material semiconductor dopado con impurezas receptoras o donadoras que conforman una región de transición de extraordinarias ventajas para poder diseñar un dispositivo que convierta energía eléctrica en lumínica. Cuando la unión P-N se polariza inversamente, la barrera de potencial de contacto se incrementa impidiendo la inyección de portadores de carga de una región a otra. Cuando la unión P-N se polariza directamente, se produce la reducción de la barrera de potencial, favoreciendo el flujo de portadores de carga Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 35 negativa de la región N a la región P y de huecos de la región P a la región N. Como en la región P los portadores con carga negativa son minoritarios se habla de inyección de portadores minoritarios. Este incremento de portadores minoritarios en P produce una recombinación de huecos dando lugar, en consecuencia, a emisión de radiación. Algo similar ocurre con el flujo de huecos de la región P a N, en donde los huecos son minoritarios. En un diodo emisor de luz no todos los portadores minoritarios se recombinan de la forma indicada y, por tanto, no se puede asociar a cada portador que fluye por la unión un fotón emitido. Se define la eficiencia del dispositivo en términos de eficiencia cuántica, la cual está dada como la relación entre la tasa de emisión de fotones y la tasa de electrones suministrados. El número de recombinaciones capaces de radiar luz resulta proporcional a la tasa de inyección de portadores y, por tanto, de la corriente. La relación entre la corriente y el voltaje en una unión semiconductora se expresa como: 1 / 0 kTeV eII Esta ecuación permite determinar la corriente a través de la unión bajo la acción de tensiones directas V>0 e inversas V<0. Ahora, la corriente a través de la unión tiene como componentes a la corriente de difusión de portadores minoritarios negativos (electrones), a la corriente de difusión de portadores minoritarios positivos (huecos) y a la corriente de recombinación en la zona de transición. Las densidades de corriente para estos tres casos se pueden expresar como: )1( 2 )1( )1( / / /    kteV i r kTeV p np p kTeV n pn n e Wen J e L peD J e L neD J  en donde Dn y Dp corresponden a las constantes de difusión de electrones y huecos en las regiones p y n; np y pn corresponden a las densidades de electrones y huecos en la regiones p y n, respectivamente; Ln y Lp son las longitudes de difusión para electrones y huecos; W es el ancho de transición; τ, el tiempo de recombinación en la región de ancho W; ni es la concentración intrínseca de electrones en la banda de conducción. A Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 36 partir de estas densidades de corrientes, se hace posible definir la eficiencia de inyección: rpn n JJJ J    la cual corresponde a la razón entre la densidad de corriente de difusión de portadores minoritarios negativos y la densidad de corriente total del diodo. - Inversión de población Para lograr que un diodo produzca luz láser, se requiere, primero de todo, el medio activo, que en este caso va a ser la unión P-N; en segundo lugar, una inversión de población de estados que permita la producción de radiación estimulada. En un diodo común emisor (LED), la emisión es básicamente espontánea. La condición de inversión debe darse cuando se logre producir en una región del dispositivo una gran cantidad de electrones excitados y huecos en la banda de conducción con los cuales dichos electrones puedan recombinarse en procesos radiactivos. El uso de la unión P-N drásticamente dopada con impurezas que garantizan una inversión de población por inyección de portadores minoritarios. Esto permite que el nivel de Fermi se ubique dentro de las bandas de valencia y de conducción de las regiones n y p. Figura 19. Diodo dopado fuertemente para permitir que el nivel de Fermi se sitúe dentro de las bandas de valencia y conducción Si este tipo de diodo de gran dopado se polariza directamente, electrones y huecos son inyectados a través de la unión en un número suficiente para producir la Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 37 inversión de población. Esta inversión se produce en una zona muy delgada, correspondiente a la denominada región activa. Figura 20. Al polarizar directamente el diodo se produce una inyección de portadores minoritarios suficientes para liberar la inversión de población En la región activa, existen dos niveles de Fermi, uno en la banda de conducción y otro en la banda de valencia. El nivel de Fermi en la banda de conducción EFc indica un 50% de ocupación de estados por electrón en dicha banda, mientras que el nivel de fermi en la banda de valencia EFv indica un 50% de ocupación por huecos en la banda de conducción. La producción de inversión de población se podría conseguir a través de bombeo óptico, pero con una tensión de polarización de muy bajo valor se puede satisfacer dicha condición, una simple fuente de continua de voltaje conectada al diodo semiconductor es suficiente para la tarea de inversión de población. Para conseguir una cavidad resonante necesaria para la amplificación de la luz producida en la región activa y facilitar la operación del dispositivo, se utilizan dos de las caras perpendiculares a la unión, las cuales, si son paralelas y planas, se convierten en una especie de espejos semitransparentes para la luz que se produce en el interior de la región activa. Así una proporción de los fotones generados en la región activa que incidan sobre estas caras van a ser reflejados nuevamente al interior de la región para contribuir con la emisión estimulada de nuevos fotones con la misma fase y energía. Aquella porción de radiación que se escapa de la región a través de caras consideradas va a conformar el haz de radiación de láser. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 38 - Cavidad resonante y modos de oscilación La condición de resonancia establece que si la longitud óptica corresponde a un número entero de semilongitud de onda de la luz, se produce interferencia constructiva en la cavidad: con N=1,2… donde λ es la longitud de onda en el espacio libre. La zona activa del diodo, con caras perpendiculares a la unión perfectamente paralelas y planas, puede ser considerada como un interferómetro Fabry-Perot (dispositivo utilizado para medir longitudes de onda). Esto determina que ciertas longitudes de onda pueden resonar (modos normales de oscilación para la cavidad) y, por tanto, que la radiación láser producida esté constituida básicamente por longitudes que satisfagan la condición de resonancia de la ecuación (modos axiales). Para que la cavidad pueda únicamente obtener pocos modos, aspecto que contribuiría en forma definitiva a la monocromaticidad de la luz que abandona la cavidad, se necesitaría que las dimensiones de la cavidad (distancia entre espejos) fuesen del mismo orden de magnitud de la longitud de la onda; sin embargo, esto se hace de difícil cumplimiento para el caso de radiación óptica, pues la longitudes de onda exigirían longitudes de la cavidad de tamaño tan reducido que la cantidad de material activo no sería suficiente para la operación del dispositivo. Para la cavidad resonante cerrada con dimensiones mucho mayores a la longitud de onda, el número de modos resonantes por unidad de banda de frecuencia y por unidad de volumen puede ser determinado por la siguiente ecuación: expresión que permite obtener el número de modos que llenan el ancho de la línea espectral correspondiente a una determina transición atómica. Para frecuencias ópticas típicas, el número de modos por cm3 resulta de orden de 109, cantidad importante que Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 39 exige que se acuda a procedimientos adecuados para suprimir una gran parte de ellos sin sacrificar la eficiencia de operación del láser. Una forma para reducir el número de modos es emplear cavidades conformadas por dos espejos, estas cavidades mantienen únicamente los modos que no experimenten absorción de las partes no reflectoras o las que no satisfacen la condición de resonancia. - Coeficiente de ganancia Como la luz dentro de la zona activa tiene que atravesar un medio material, se va a producir un proceso de absorción de la radiación que resulta de gran importancia cuando se evalúa la operación de láser. Para un haz monocromático que transita por un medio absorbente que se asume heterogéneo, se satisface la ecuación . El coeficiente de absorción ɑ puede ser evaluado con algún detalle bajo la suposición de que la absorción de la luz se da para electrones que al absorberla realiza la transición entre los niveles Ei→Ef. El grado de absorción dependerá del número de átomos Ni con electrones en el estado Ei y del número de átomos Nf con electrones en el estado Ef. La absorción sería máxima si el número Nf fuese nulo, y sería mínima si Ni fuese nulo; esto provocaría una elevada probabilidad de emisión estimulada. Si gi y gf, corresponde a la degeneración del nivel de energía i y f, respectivamente, Bfi al coeficiente de Einstein, υ la frecuencia de transición entre los niveles considerados y nf el índice de refracción del medio, el coeficiente de refracción puede ser escrito como: que indica una dependencia del coeficiente de absorción con la diferencia de población de electrones en los dos niveles de energía supuesto Ei y Ef. Ahora, en equilibrio térmico , por lo tanto, , con lo que la intensidad de radiación se ve reducida exponencialmente con la distancia de propagación dentro del medio. Con la inversión de población, se consigue que , y esto trae como consecuencia que el coeficiente de absorción sea positivo y, por lo tanto, la ecuación para la intensidad de la radiación del medio quede escrita como Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 40 con La contante b se califica como un coeficiente de ganancia Figura 21. La intensidad de la luz en el medio material experimental un crecimiento exponencial cuando el coeficiente resulta positivo - Pérdidas y umbral de densidad de corriente Para alcanzar un estado de emisión en modo continuo del láser, se requiere que la tasa de amplificación esté balanceada por la tasa de pérdidas. Se necesita una ganancia suficiente para contrarrestar las pérdidas. El umbral de ganancia hace referencia a la mínima inversión de población requerida para que se dé la acción del láser. Las pérdidas básicamente son debidas a: 1. La absorción de luz en el medio por transiciones diferentes a las requeridas para inversión de población. 2. Dispersión de luz por los espejos de la cavidad. 3. Como las superficies reflectoras son parcialmente transmisoras, cierta cantidad de luz abandona la cavidad por transmisión. Por supuesto, la salida láser de la cavidad se debe al hecho de contar con superficies parcialmente reflectoras. 4. Dispersión de la luz ocasionada por inhomogeneidades en el medio. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 47 Para lograr reducir las dimensiones de la capa activa sin que se perjudique el dispositivo por pérdidas de radiación se fabrica una región activa delgada (10nm) para los portadores de carga, t otra más gruesa (100nm) para la luz generada, permitiéndose un solapamiento entre las dos regiones para garantizar que la luz pueda cumplir su papel de interactuar para estimular las transiciones electrónicas. La región delgada de confinamiento para los electrones y huecos, que por su reducido espesor tiene un tratamiento cuántico, toma el nombre de pozo cuántico, mientras que la región para luz, la cual contiene en su parte central la región delgada, se denomina región de confinamiento separada. En el pozo cuántico se genera luz por la recombinación de electrones y huecos, mientras que en la región de confinamiento separada dicha luz es atrapada y guiada. A pesar de que la luz se genera en la capa fina donde existe recombinación, para luego quedar confinada en la capa separada, se garantiza que dicha capa fina, al estar localizada en el centro de la capa separada, se mantenga expuesta a la luz, condición necesaria para mantener la operación del láser, pues se requieren suficientes fotones para mantener la emisión estimulada. Figura 28.Esquema de una capa de confinamiento separada encargada de confinar la luz. Para obtener un pozo cuántico, se requiere intercambiar una capa con un gap de energía de un ancho pequeño entre capas más gruesas con gaps mayores. Los electrones poseen energía suficiente para permanecer en la banda de conducción del material que conforma la capa delgada con gap de energía pequeño, pero no poseen la energía necesaria para poder ingresar en la capa de mayor gap, lo que garantiza su confinamiento. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 48 Figura 29. Formación de un pozo cuántico de 10 nm, el cual se consigue colocando una delgada capa de AlGa entre dos capas de AlGaAs al 20%, las cuales a la vez están entre dos capas de AlGaAs al 85%. El gap de energía del pozo cuántico es menor que el de las capas de AlGaAs al 20%, mientras que estas últimas poseen un gap menor de las capas de AlGaAs al 85%. Al ser la zona activa una capa muy delgada, los electrones de dicha zona se encuentran en un confinamiento bidimensional, a diferencia del caso en el cual la zona no es tan delgada y permite un confinamiento tridimensional. La diferencia entre estos dos confinamientos puede ser apreciada si se analiza la forma como se distribuye la densidad de estados de energía para los electrones. Los electrones que alcanzan la banda de conducción ocupan una serie de estados en la banda que se van llenando sucesivamente desde los valores más bajos permitidos. Algo similar ocurre para los huecos en la banda de valencia. Cuando la región de confinamiento es mucho mayor que la longitud de onda de de Broglie (2.5 picómetros), es posible tratar los estados de los portadores en términos de variables continuas. En estas condiciones, la densidad de estados es función de la energía tiene la forma: con m*: masa efectiva de cada portador. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 49 Figura 30. Densidad de estados para una región de confinamiento tridimensional. Para el caso en que una de las dimensiones se hace lo suficientemente pequeña para que se pueda considerar bidimensional, caso del pozo cuántico, la densidad de estados en términos de energía cambia considerablemente, esto en respuesta a la cuantización que experimenta la cantidad de movimiento en la dirección en la cual la dimensión se ha hecho pequeña (perpendicular a la capa delgada, Z). La densidad de estados presenta un comportamiento escalonado, en donde inicialmente la energía se mantiene constante en un intervalo de ρ(E) dado por Figura 31. Densidad de estados para una región de confinamiento bidimensional Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 50 Este comportamiento de transición discreta que presenta la energía para el pozo cuántico tiene sus beneficios. En una configuración de capa activa tridimensional (bulk), los estados de energía en la banda correspondiente se llenan desde los valores más bajos permitidos produciendo un rango de energía en los portadores que han sido excitados, los cuales luego de recombinarse producen la emisión de radiación. Como se cuenta con una amplia gama de energía para los portadores, no todos están en el rango adecuado para la emisión estimulada, pues el electrón excitado y el fotón incidente que estimula la transición deben estar en condiciones resonantes (la frecuencia del fotón emitido debe ser igual a la del fotón incidente). En el proceso de inversión de población (creación de parejas electrón-hueco), solamente una porción de electrones puede aportar a un haz de emisión estimulada. Esta situación se puede ver ampliamente mejorada con el hecho de que en un pozo cuántico la densidad de estados no se incrementa gradualmente, esto permite un llenado de los electrones en rangos de energía mucho más reducidos. Esta transición discreta de niveles de energía depende además del espesor de la capa activa, lo que proporciona una valiosa herramienta de sintonización de la longitud de onda emitida por el dispositivo. Figura 32. Esquema de fabricación de un pozo cuántico de GaAs. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 51 3.3.4.- Láser de hilo cuántico Si con la restricción de dos dimensiones de la zona activa se han conseguido beneficiosos resultados, por qué no reducir aún más dicha zona, disminuirla a una dimensión. Los confinamientos de esta naturaleza se conocen con el nombre de hilo cuántico. Así, se concibe el denominado láser de hilo cuántico que presenta similitudes con el de pozo cuántico, salvo que el espesor de la capa y su ancho se reducen a dimensiones del orden de 10 nm. Figura 33. Densidad de estados para el caso de un confinamiento unidimensional El problema que se presenta con las pérdidas de luz por refracción se resuelve, al igual que con el láser de pozo cuántico, con el uso de una región de confinamiento separada. A pesar de las dificultades para su fabricación, este tipo de láseres juega un papel muy importante en la emergente nanotecnología. Figura 33. Esquema de la disposición de capas para la configuración de un láser de hilo cuántico. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 52 3.3.5.- Láser de punto cuántico Continuando con la reducción de dimensionalidad para la zona activa, el próximo paso conduce a considerar regiones de confinamiento de dimensión-cero. A comienzos de la década de los ochenta, Arakawa y Sakaki habían sugerido que los láseres de punto cuántico deberían presentar un rendimiento con menores problemas de dependencia con la temperatura y, en consecuencia, reducción de los umbrales de la densidad de corriente y baja degradación para altas temperaturas. El primer láser de punto cuántico con un alto umbral de densidad de corriente fue reportado por Ledentzov en 1994. Estas estructuras, conectadas a los correspondientes elementos de entrada-salida, han tomado diversas denominaciones: gases de electrones cero-dimensionales, islas de Coulomb, átomos artificiales (un átomo es un caso de confinamiento en las tres dimensiones), transistores de un electrón, etc. En un láser de punto cuántico, dado el incremento notable del confinamiento para los portadores de carga, la inversión de población asociada con la generación de pares electrón-hueco requerida para la emisión láser se hace más eficiente. Sin embargo, para que estas estructuras funcionen adecuadamente se necesita una gran uniformidad en sus dimensiones, aspecto fundamental para cristalizar las ventajas que ofrece un dispositivo de esta naturaleza. Una de las ventajas es la forma discreta que presenta la densidad de estados que, ante pérdidas en la uniformidad del punto, transita a un comportamiento similar a los obtenidos en estructuras tridimensionales. Con tecnologías como la litografía de haces de electrones se logra conformar arreglos 0-dimensionales que presentan desafortunadamente grandes problemas de eficiencia óptica, altas tasas de recombinación superficial, además de los daños que se producen durante la fabricación del dispositivo. En el área de nanofabricación y materiales nanoestructurales, ha cobrado gran importancia el término auto-ensamblado, que puede ser considerado como un proceso en el cual la organización jerárquica supermolecular está establecida en un sistema complejo interconectado. Con la tecnología de auto-ensamblado se han logrado arreglos Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 53 de puntos cuánticos del orden de 20-30 nm de diámetro con una variación de longitud de ±7%. Figura 34. Estructura de punto cuántico en forma de columna. El láser de punto cuántico presenta una estructura similar a la del pozo cuántico, salvo que la capa activa se dispone de un arreglo de puntos cuánticos de 20 a 30 nm, situado en el centre de una región separada de confinamiento para la luz. Figura 35. Esquema del láser de punto cuántico 3.3.6.- Diodo láser azul Los diodos láser, como los presentados hasta ahora, son fabricados con materiales semiconductores capaces de producir radiaciones con longitudes de onda que corresponden al rojo e infrarrojo. Esta imposición se da porque los materiales, de acuerdo con su composición, aportan un gap de energía entre la banda de valencia y la de conducción para los portadores que realizan las transiciones láser, determinando, en consecuencia, el ancho de banda espectral emitido. Contar con láseres capaces de emitir Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 54 en longitudes de onda más corta (azul o violeta) abre una gran gama de posibilidades tecnológicas. Un tipo de materiales que aporta las condiciones requeridas son los del grupo III-nitruros (nitruro de galio GaN), pues presenta un gap de energía entre la banda de valencia y la de conducción suficiente como para que las transiciones radiactivas produzcan frecuencias cercanas y superiores al del espectro óptico, hecho por el cual se les denomina como semiconductores de gap de energía ancha. El GaN a temperatura ambiente posee un gap de 3.4eV que impone para transiciones radiactivas una longitud de onda de 365 nm, longitud que corresponde al ultravioleta. Los cristales de GaN son muy difíciles de fabricar ya que requieren altas presiones y temperaturas, similares a las necesarias para la producción de diamantes sintéticos, y el uso de gas nitrógeno a alta presión. Estos problemas técnicos parecían insuperables, así los investigadores desde la década de los 60 intentaron la fabricación de GaN sobre una base de zafiro, pero un desfase entre las estructura del nitruro de galio y el zafiro creaba demasiados defectos. En la década de los 90, el instituto de Física de Alta Presión en la Academia de Ciencias de Varsovia (Polonia), bajó la dirección de Dr. Sylwester Porowski desarrolló una tecnología que permitía crear cristales de GaN con alta calidad estructural. En 1992, el ingeniero electrónico japonés Suji Nakamura inventó el primer LED azul eficiente, y cuatro años más tarde creó el láser azul. 3.3.7.- Otros láseres - Láser de electrones libres Se trata de un sistema productor de luz láser de gran versatilidad, fácil sintonía en un rango importante de longitud de onda (microondas hasta ultravioleta) y elevada potencia de salida. A diferencia de los sistemas que hacen uso del confinamiento atómico de los electrones, los cuales al transitar entre niveles permitidos de energía producen emisión de luz estimulada con una frecuencia definida, el láser de electrones libre, LEL, como su nombre indica, hace uso de un haz de electrones que pueden Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 55 moverse con libertad en el vacío, Así, el medio activo del láser no son átomos o moléculas, lo configura un chorro relativista de electrones. Los electrones son acelerados a energías relativistas para posteriormente ser enviados a un sistema de imanes con polaridades alternadas que conforman el denominado vibrador. Cuando el haz de electrones atraviesa el campo magnético del vibrador (alternante), experimenta una serie de movimientos oscilatorios, y esto causa que se emitan fotones de una frecuencia determinada. La región de emisión se encuentra dentro de una cavidad resonante conformada por espejos, uno de ellos con una reflexión del 85%. Los fotones dentro de dicha cavidad estimulan a los electrones a producir una mayor cantidad de fotones de la misma frecuencia y fase, proceso que se repite hasta alcanzar una condición estacionaria. La longitud de onda del láser puede ser variada cambiando la potencia del haz de electrones o cambiando el espaciamiento entre los imanes del vibrador Figura 36. Esquema de un láser de electrones libre. El láser de electrones libres puede llegar a ser muy grande, como el utilizado para la producción de rayos X, que tiene varios kilómetros de longitud, y también puede ser pequeño, como el MIRFEL que ocupa poco más de un metro. - Láser monoatómico El láser monoatómico se hace posible gracias a un comportamiento mecánico-cuántico que presenta un átomo cuando se encuentra en el interior de una cavidad resonante. En esta condición, el átomo emite más rápidamente que si se Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 56 encuentra fuera de esta cavidad. Si un átomo excitado en la cavidad resonante vuelve a su estado fundamental con la correspondiente emisión de un fotón, el fotón es nuevamente absorbido para luego volver a ser emitido configurándose un proceso de naturaleza oscilatoria que toma el nombre de oscilación de Rabi en el vacío. Por otra parte, si en la cavidad resonante existen fotones con una energía equivalente a la de transición del átomo, se producirá un proceso de absorción y emisión de fotones por parte del átomo con una mayor probabilidad que en caso anterior. La oscilación en presencia de un fotón o fotones en la cavidad se denomina como cuantizada de Rabi. Si por una cavidad resonante se hace pasar una sucesión de átomos que han sido previamente excitados (usando un láser convencional), para el primero de ellos se producirán una oscilación en el vacio de Rabi, que coloca un fotón en la cavidad; para el siguiente átomo se producirá una oscilación cuantizada que aporta otro fotón con la misma fase y energía que el anterior, y así, sucesivamente, se va acumulando en la cavidad luz coherente que conforma un haz de luz láser. - Microláseres Un microláser como su nombre indica, corresponde a un dispositivo de tamaño micrómetro capaz de producir luz coherente con un diseño y rendimiento diferente al que se obtiene con los láseres de diodo común. Un cambio importante tiene que ver con la forma cilíndrica que presentan las capas semiconductoras, así como en la dirección perpendicular a las láminas semiconductoras en que se canaliza y emite la luz. Este tipo de geometría favorece un haz de luz de mayor circularidad. El láser está conformado por una delgada capa semiconductora (del orden de una centésima de micrómetro) responsable del confinamiento de los portadores de carga en términos de los que se ha denominado pozo cuántico. Esta capa está en emparedado con otras dos capas de un gap de energía mayor que permiten atrapar los portadores de carga responsables de la emisión láser. Al propagarse la luz perpendicularmente a esta capa y al ser tan delgada, se hace necesario que la luz responsable de estimular emisiones pase por la capa un gran número de veces, exigencia que recae sobre la calidad de reflectividad que posean los espejos de la cavidad. Esta condición se satisface al hacer uso de una serie de capas (espejos) alternantes de diferentes índices de refracción (GaAs Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 63  Medidas de control recomendadas en función de las diferentes clases de sistemas láser “CLASE” DE SISTEMA LÁSER MEDIDA DE CONTROL Clase I  Señalización.  Información y formación del personal involucrado o expuesto. Clase II  Ídem Clase I, y además:  Ingeniería.  Equipos de Protección Individual. Clase III a  Ídem Clase II, y además:  Ingeniería.  Controles administrativos. Clase III b  Ídem Clase II, y además:  Ingeniería.  Controles administrativos. Clase IV  Ídem Clase II, y además:  Ingeniería.  Controles administrativos.  Medidas de control: señalización La señalización relativa a un dispositivo láser, comprende:  Una etiqueta / señal, claramente visible y colocada en el mismo dispositivo láser, con las frases de advertencia para que el usuario conozca a que riesgo está expuesto.  Toda puerta de acceso a locales donde se albergue dispositivos láser de CLASE IIIa; IIIb; y IV, deben ser señalizadas con el pictograma de peligro correspondiente, incluyendo además la CLASE del láser, la longitud de onda, y la potencia del mismo. Cuando un local albergue más de un láser de diferentes CLASES de las especificadas, se incluirá los datos de todos ellos. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 64  Sobre toda puerta de acceso a un local donde se albergue dispositivos láser de CLASE IIIa; IIIb; y IV, se recomienda la instalación de una luz intermitente que se active cuando el dispositivo esté en operación.  Es deseable incluir la señalización de “ACCESO RESTRINGIDO EXCLUSIVAMENTE A PERSONAL AUTORIZADO”.  La utilización de prendas de las prendas de protección individual (E.P.I.) que se estime preceptivas para las operaciones a llevar a cabo, también debe estar señalizada. SEÑALIZACIÓN PRECEPTIVA En todo lugar donde se encuentre un láser. Para lugares donde se dé operación de láser IIIa; IIIb y IV. Para lugares donde se dé operación de láser II, IIIa; IIIb y IV. Para lugares donde se dé operación de láser IIIb y IV. Para lugares donde se dé operación de láser IIIb y IV.  Información y formación del personal involucrado o expuesto Toda persona que participe directamente en las operaciones, o que sin estar involucrada directamente en las mismas, pueda verse afectada por estos dispositivos, debe ser informada por los responsables de las actividades acerca de los riesgos a los que está expuesto, los medios con los que debe protegerse, cómo y cuándo utilizarlos, y especialmente, sobre el conjunto medidas preventivas y de normas internas o de Procedimientos de Trabajo Escritos (P.T.E.) con que se acostumbre operar. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 65  Medidas de control: ingeniería Medidas técnicas destinadas a minimizar el riesgo que puedan generar los dispositivos láser. Pueden citarse las siguientes:  Confinamiento de láser: deseable para láser clase IIIb y IV, efectuándose en un habitáculo donde no se lleve a cabo ninguna otra operación no relacionada con este elemento. Es deseable que las puertas de acceso a estos habitáculos dispongan de cerradura, y que únicamente el personal autorizado a acceder a esta habitación disponga copia de las mismas. Sería deseable que las cerraduras de las puertas se bloqueasen cuando éste entrase en operación, pero pudiendo anularse el bloqueo y abrirse desde el interior, de manera similar a una puerta antipánico.  Carcasas protectoras: todo láser clase IIIa, IIIb y IV, debiera disponer de una carcasa protectora incombustible, que contenga el haz emitido, y él la fuente de excitación.  Enclavamiento: todo láser clase IIIa , IIIb y IV, debiera disponer de un dispositivo de enclavamiento de modo que cuando la carcasa protectora fuera movida o separada, desconectase el dispositivo láser y lo dejase fuera de funcionamiento.  Llave de operación: todo láser clase IIIa, IIIb y IV, debiera disponer de una llave de accionamiento, de modo que sin la misma, este no pudiera entrar en funcionamiento y que únicamente el personal autorizado a operar con las mismas, según los P.T.E establecidos, disponga de acceso a las mismas.  Indicador “ON” (en marcha): todo láser clase IIIa, IIIb y IV, debiera disponer de un indicador “ON / OFF” claramente visible a las personas operando con el dispositivo. Este indicador debe estar conectado al láser, no siendo su accionamiento independiente del equipo.  Indicador “Potencia de operación”: todo láser clase IIIa, IIIb y IV, debiera disponer de un indicador de la potencia emitida en tiempo real, fácilmente visible a los operadores del dispositivo. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 66  Medidas de control: controles administrativos Los controles administrativos comprenden exclusivamente los Procedimientos de Trabajo Escritos (P.T.E.). Los P.T.E. deben ser generados por los responsables de las operaciones llevadas a cabo con los dispositivos láser, o por personal suficientemente cualificado y con la experiencia necesaria como para poder desarrollarlos. El principio de los P.T.E. es dejar constancia escrita de aquellos aspectos críticos de las operaciones que puedan afectar al resultado de las mismas, que puedan afectar a la seguridad de los operadores, o en el deterioro de los equipos. Los P.T.E. deben ser conocidos obligatoriamente por todo aquel personal que esté involucrado en las tareas, y debe entrenarse exhaustivamente sobre los mismos al personal de nuevo ingreso o que carezca de la experiencia suficiente. Todo P.T.E. debe ser aprobado y respaldado por la Dirección del Departamento o Entidad. Recomendamos que, independientemente de la CLASE de láser con la que se esté operando, de desarrolle P.T.E. para los mismos. Consideramos imprescindible el disponer de P.T.E. para toda tarea en la que esté involucrado un láser de los tipos IIIa, IIIb y IV. Especial mención requieren las tareas de alineación, ajuste del haz y reparaciones, actividades en las que se mayoritariamente se producen los daños personales. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 67 5.- Tratamiento del haz 5.1.- Transformaciones de un haz láser Antes de poder ser usado, un haz láser sufre generalmente alguna transformación. Las transformaciones más comunes son aquellas que ocurren cuando el haz se propaga a través del espacio o a través de un sistema óptico, el cambio se produce en la distribución de potencia o en la forma del haz, aunque se conserva la estructura de modos. Otro tipo de transformaciones son las que actúan sobre el comportamiento temporal del haz, como las que se pueden producir con un dispositivo acústico-óptico, que puede desviar un porcentaje del haz en una dirección que dependerá de la frecuencia de la onda acústica. - Propagación de un haz gaussiano El haz del láser diverge y su tamaño va aumentando con la distancia, la fórmula que relaciona el tamaño del haz con la distancia recorrida es: donde 2w es el tamaño del haz, 2w0 es el waist o diámetro mínimo del haz (a la salida del láser) y z es la distancia recorrida desde el waist. Otra fórmula a tener en cuenta es la que relaciona el radio de curvatura del frente de onda del haz en función de la distancia recorrida: donde R es el radio del frente de la onda. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 68 Figura 38. Evolución del haz en el espacio - Transformación del haz al atravesar un sistema óptico de lentes Figura 39. Transformación de un haz gaussiano al atravesar una lente focal f. En la figura se ve la transformación del haz del láser al atravesar una lente focal f. Al llegar a la lente, el tamaño y en radio de la curvatura del haz son respectivamente 2w1 y R1 obtenidos al aplicar las ecuaciones anteriores, sustituyendo z por L1. El tamaño del haz a la salida de la lente. 2w2, es el mismo que tenía antes de entrar en ella. Si interpretamos el comportamiento de la lente como la de un dispositivo que varía el radio del frente de onda que llega hasta él, podemos aplicar la misma transformación para el caso de un haz gaussiano que llega a la lente con un radio R1 y emerge por la otra cara como un nuevo haz gaussiano con un radio de curvatura R2. El tamaño mínimo que puede tomar el haz al salir de la lente 2w02 y la distancia a la que alcanzará ese valor se pueden calcular aplicando las ecuaciones de los haces gaussianos. Haciendo las sustituciones oportunas llegamos al sistema de ecuaciones siguiente: Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 69 donde f0 es igual a πw01w02/λ. Una solución aproximada a estas ecuaciones es la que da como tamaño de un haz focalizado 2W02≈2fλ/πW01. Por tanto, según se deduce de esta expresión, un haz gaussiano no puede enfocarse infinitamente, sino que el tamaño del mismo es función de la focal de la lente, de la longitud de onda y del waist del haz incidente. Asimismo, la divergencia del haz y el tamaño del mismo están unívocamente relacionados y no dependen de ningún otro factor que se pueda alterar. Siendo el ángulo de divergencia, 2θ, inversamente proporcional al waist, θ=λ/πw0. En otras palabras, cuanto más pequeño sea el tamaño del haz al ser enfocado, más rápidamente se abrirá a continuación y, por tanto, el margen de espacio en que el haz está enfocado es más pequeño. Por el contrario, si lo que se desea es proyectar un haz sin que apenas diverja para recorrer una gran distancia, lo que se hace es expandirlo con un sistema de dos lentes en configuración telescopio. En estas condiciones el haz es capaz de recorrer grandes distancias con una divergencia mínima. 5.2.- Interacción del láser con los materiales La acción del haz láser sobre los materiales en procesos industriales producen éstos efectos térmicos. El proceso puede dividirse formalmente en dos partes:  La incidencia del haz en el material y la transferencia de su energía.  Los efectos que produce en el material el aporte de energía. En lo que se refiere a la incidencia del haz y su transferencia de energía al material, sólo una parte de la energía incidente se transmite al interior, ya que parte de ella es reflejada por la superficie del material. La potencia que se transmite al material se relaciona con la potencia incidente mediante el coeficiente de acoplamiento C. En un Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 70 caso general, la potencia transmitida (Pt) se relaciona con la potencia incidente (Pi) mediante la expresión: En el caso en que la superficie del material sea pulida, se tiene para el coeficiente de acoplamiento C la expresión C=1-R, donde R es el coeficiente de reflexión del material para la longitud de onda de la radiación incidente. Para que el material pueda ser tratado mediante el haz láser es preciso que la potencia transmitida sea absorbida por el mismo, dando lugar a un gran aumento de la temperatura. Un parámetro importante. Un parámetro importante es el coeficiente de absorción de radiación del material, ɑabs, que indica la porción de radiación que es absorbida por unidad de longitud. Tanto el coeficiente de absorción como el de acoplamiento dependen del material y de la longitud de onda de la radiación. El coeficiente de absorción de los metales es muy elevado y crece con la longitud de onda de la radiación, mientras que el coeficiente de acoplamiento es pequeño y decrece con la longitud de onda de la radiación. El comportamiento de los dieléctricos es más irregular, en general, el coeficiente de absorción es mucho menor y aumenta con la longitud de onda de la radiación, pudiéndose encontrar zonas muy absorbentes según la naturaleza concreta del material. Su coeficiente de acoplamiento es elevado. Los semiconductores presentan una banda de absorción intensa en la zona visible e infrarrojo próximo con un comportamiento similar a los metales. Para longitudes de onda más largas el comportamiento es similar a los dieléctricos. El coeficiente de acoplamiento depende de la temperatura, en los metales a temperaturas próximas a la de fusión se produce un aumento considerable de este coeficiente, con lo que resulta también un incremento en el rendimniento del proceso de absorción de energís por el material. Este coefciente tmabién depende del grado y de la dirección de polarización del haz cuando este incide sobre la superficie del material. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 71 Una vez la energía ha sido absorbida por el material se produce un aumento de su temperatura. Este aumento no se limita a laz zonas donde incide el haz sino que se difunde hacia las zonas adyacentes. 5.3.- Enfoque del haz Una de las principales características del láser desde el punto de vista de su aplicación al tratamiento de materiales es la coherencia del haz. Gracias a ésta se puede enfocar toda la potencia emitida y concentrarla sobre zonas de dimensiones transversales del orden de la longitud de onda, consiguiendo así densidades de potencia muy elevadas. Para llevar a cabo la focalización del haz se utilizan lentes o espejos. Una relación práctica que nos permite calcular el diámetro del haz focalizado es: donde Df es el diámetro del haz focalizado, D1 el diámetro del haz incidente, f la distancia focal de la lente y λ la longitud de onda. Otra ecuación que nos permite calcular fácilmente el diámetro del haz focalizado es Di=2Ɵ*f donde 2Ɵ es la divergencia del haz incidente. Otra característica importante del haz focalizado es la profundidad de foco, que representa la distancia a la cual se puede considerar el haz focalizado. La definición concreta de este parámetro depende de la variación del tamaño del haz que se considere tolerable. Si se define δ como el coeficiente entre el tamaño del haz tolerado y su tamaño mínimo (δ=1+tanto por ciento considerado), la profundidad del foco d vendrá dado por la expresión: Observando las expresiones que nos dan el diámetro del haz focalizado y la profundidad de foco en función de la focal, nos daremos cuenta de una dependencia lineal del primero y cuadrática del segundo. Eso es, para un valor doble de la focal se obtiene un valor doble de diámetro del haz focalizado mientras que la profundidad de foco aumenta con cuatro veces su valor. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 72 5.4.- Estado superficial del material Es evidente que desde el punto de vista de rendimiento energético de un proceso determinado, interesa que el coeficiente de acoplamiento sea lo mayor posible. Tratamientos superficiales que aumentan la rugosidad de la superficie, tales como arenado o la aplicación de finas capas de sustancias absorbentes, pueden incrementar el valor de coeficiente de acoplamiento. Figura 40. Coeficientes de acoplamiento para un metal con distintos acabados superficiales 5.5.- Régimen de funcionamiento del láser Los efectos térmicos que la radiación produce en el material dependen de la evolución espacial y temporal de la temperatura en el interior del mismo. Así pues, la utilización de un láser en modo continuo o en modo pulsante influirá en los resultados obtenidos. Por ejemplo, pulsos cortos y energéticos tienden a perforar mientras que la misma energía repartida sobre un tiempo más prolongado sería más adecuada para un proceso de corte. 5.6.- Aporte de gas En la mayor parte de los procesos con láser se utilizan gases de aporte. Un flujo de uno o varios gases se proyecta sobre la zona a tratar, utilizando para ello dispositivos que permiten además el enfoque del haz mediante un sistema óptico colocado en su interior. Estos dispositivos reciben el nombre de boquillas. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 79 - Mantenimiento de los elementos ópticos. El tiempo de vida de un elemento óptico depende en gran parte del mantenimiento que reciba. La limpieza de los mismos es la parte más importante. Un elemento óptico sucio se convierte en absorbente de la radiación, lo cual lleva consigo un aumento de la temperatura que puede dar su superficie o incluso puede causarle la rotura. La mayor parte de los elementos ópticos tiene una serie de capas depositadas sobre su superficie que optimizan su función. Un calentamiento excesivo o un inadecuado tratamiento pueden provocar un desprendimiento de las mismas. Un deterioro de estas capas lleva consigo una pérdida de las características del elemento y por consiguiente una disminución en el rendimiento del mismo. Un mantenimiento de los elementos ópticos es de gran importancia y se debe realizar con el material adecuado utilizando líquidos disolventes y papeles especiales para la limpieza de ópticas. Los líquidos a utilizar pueden variar según el material del sustrato y de las capas del elemento a limpiar. En todos estos vasos el fabricante del material óptico aconseja el uso de unos u otros líquidos. Los más utilizados son acetona y metanol. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 80 6.- Sistemas láser Debido a la versatilidad, precisión y mayor rapidez que presenta frente a otros métodos convencionales de mecanización, los sistemas láser, se han incorporado a aplicaciones como corte, soldadura, perforado o tratamientos superficiales. Los diferentes sistemas incorporan una fuente de haz láser y una mesa de coordenadas gobernadas por control numérico o bien un robot, para conseguir el movimiento relativo entre el haz y la pieza. Esto puede conseguirse de dos maneras:  Moviendo la pieza y manteniendo el haz quieto.  Moviendo el haz y manteniendo quiera la pieza. Esta última opción presenta a su vez dos posibilidades. La primera consiste en mover todo el cabezal del láser por encima de la superficie a trabajar, lo que requiere un sistema sólido de soporte para el láser y se va convirtiendo paulatinamente a medida que aumenta la potencia del láser a utilizar y, como consecuencia, el peso del cabezal. La segunda opción consiste en mover un sistema óptico de entrega de haz hasta el punto de mecanización. Esta solución es válida para láseres de alta potencia, en los que el cabezal permanece en reposo y puede estar colocado fuera de la zona de trabajo. El sistema óptico consiste en un conjunto de espejos deflectores colocados a 45º, de modo que el haz reflejado por cada espejo forma un ángulo de 90º con el haz incidente. Con un sistema de tan solo dos espejos puede cubrirse cualquier punto de un plano. - Mesa de coordenadas Consiste en unos ejes de coordenadas móviles gobernados por control numérico, en los que se sujeta la pieza a mecanizar. Los más sencillo incorporan dos ejes X e Y, permitiendo desplazamientos en sentido positivo y negativo, con lo cual se puede describir cualquier movimiento en el plano. Así, desplazando la superficie bajo el haz, se pueden mecanizar piezas planas. Algo más complejas son las mesas de tres ejes; X, Y, Z, que incorporan un eje vertical Z, con recorrido positivo y negativo, que permite la aproximación del plano de trabajo durante el funcionamiento de la máquina y su separación para facilitar Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 81 manipulaciones de carga y descarga del material. Otra posibilidad de utilización de este tipo de mesas consiste en aprovechar el eje vertical para seguir superficies no planas, manteniendo en todo momento la distancia focal adecuada para su correcto mecanizado. Figura 47. Mesa de dos coordenadas X-Y Las mesas de cinco ejes incorporan además de los ejes de desplazamiento, X, Y, Z, otros dos ejes de giro A y B. Se utilizan para el mecanizado de piezas no planas. Aunque con tres ejes se puede describir cualquier volumen, es necesaria la incorporación de los ejes de giro para conseguir que el haz se mantenga perpendicular a la zona de trabajo. El eje A, permite una rotación de 180º en una dirección de eje. El eje B, permite un giro continuo sobre el plano. Así, en cualquier punto puede programarse la inclinación relativa de la pieza respecto al haz asegurando su ortogonalidad. Figura 48. Figura 49. Estas tres mesas anteriores corresponden al primer tipo de movimiento relativo (moviendo la pieza y manteniendo el haz quieto). Suelen emplearse para el mecanizado de piezas relativamente pequeñas, de poco peso, fáciles de manipular. Sin embargo, Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 82 cuando su tamaño o su peso aumenta, puede ser aconsejable la utilización de mesas pórtico, en las que se desplaza el haz sobre la superficie estática (segundo tipo de movimiento). En este tipo de mesas, los ejes móviles están situados formando un puente sobre una mesa donde se deposita el material a mecanizar. El pórtico puede soportar el cabezal de un láser, si éste es de baja potencia, o bien un sistema óptico de transmisión de haz, para láseres de alta potencia. De modo análogo, el desplazamiento de los ejes sigue las coordenadas X, Y, Z, describiendo los ejes X e Y el movimiento en el plano y reservando el eje Z para el posicionamiento del focalizador hasta la distancia de trabajo o retirada de éste a posición de reposo. También podrán llevar a cabo el mecanizado de piezas en volumen cuando presenten los dos ejes adicionales de giro. Figura 49. Mesa pórtico La programación de las mesas de coordenadas se realiza por control numérico, del mismo modo que muchos otros tipos de máquinas-herramienta. Los desplazamientos de los ejes se realizan indicando las coordenadas de la posición a alanzar después de cada movimiento sencillo, tanto en línea recta como en curva, y la velocidad de avance hasta posición de origen y régimen de trabajo. El control numérico permite al mismo tiempo gobernar algunas de las funciones del láser como son el encendido y el apagado o el nivel de potencia. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 83 - Robots El acoplamiento de un láser a un robot industrial puede llevarse a cabo de tres maneras diferentes: El primer sistema consiste en utilizar el robot para sujetar la pieza a mecanizar y moverla bajo el haz láser describiendo las trayectorias programadas. Al mismo tiempo, pueden asignársele funciones de carga y descarga de material, clasificación de piezas terminadas, selección y separación de piezas defectuosas o cualquier otra operación dentro de la cadena de producción. Para ello, el robot debe de estar dotado de un brazo articulado que le permita adoptar cualquier posición el espacio, con una pinza en su extremo para sujetar las piezas y presentarlas frente al haz. El empleo de este tipo de robot resulta útil cuando las piezas son poco voluminosas. La segunda opción se basa en el empleo de un robot con brazo articulado cuto extremo disponga de una pinza para mover un sistema óptico o el cabezal láser. De esta manera el robot aproxima la boquilla hasta focalizar el haz sobre la superficie. En algunos casos se limita a realizar un acercamiento del sistema óptico, siendo éste último el que por medio de un motor de avance lento alcanza la posición focal correcta. En este caso, debe presentarse atención a la adecuada alineación de los espejos del sistema de suministro de haz, mientras que el robot puede ser del mismo tipo que los empleados en el caso anterior. Será el sistema de elección cuando el tamaño de las piezas no permita su manipulación o en el caso que se requieran estructuras excesivamente sólidas para manejarlas. El sistema óptico presentará mayor o menor complejidad según el tipo de aplicación necesaria y la dificultad que entrañe el posicionamiento hasta la zona de trabajo. Un sistema complejo presentará varias articulaciones, permitiendo de uno a seis grados de libertad para su manejo. La tercera variante presenta una mayor complejidad ya que implica la utilización de un robot especialmente diseñado para esta aplicación. En éste el sistema óptico está integrado al brazo móvil con los espejos deflectores coincidiendo con las articulaciones del robot. Presenta la dificultad adicional de alineación de un número superior de Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 84 espejos, frente a la ventaja de poder operar con un solo sistema flexible. Éste método es el más aconsejable cuando la complejidad de la pieza a procesas dificulte el acceso a las zonas de trabajo. La utilización de un brazo articulado con espejos puede en algunos casos sustituirse por un conjunto de piezas telescópicas extensibles, que reducen el número de espejos en función de la cantidad de posiciones que debe adquirir el focalizador. En el caso de sistemas que incorporen un láser de Nd:YAG, existe la posibilidad del empleo de fibra óptica para la transmisión del haz desde el cabezal hasta el focalizador, con lo que se elimina la necesidad de los espejos deflectores, ganando flexibilidad, al mismo tiempo que disminuye la complejidad mecánica en el diseño del robot y las pérdidas de potencia por absorción o desalineación de los espejos. Para programas un robot, el método más sencillo consiste en enseñarle directamente las configuraciones que deberá adoptar, moviéndolo manualmente. También se utiliza el método de descripción numérica de trayectorias, introduciendo los datos de forma directa, o una variante del control numérico, como si se tratase de una máquina-herramienta. Sistemas más complejos de CAD generan programas de trabajo por simulación gráfica sobre pantalla, que se transmiten a la unidad de control del robot sin necesidad de interrumpir el curso de su ejecución. El control del robot puede también regular la intensidad de salida del haz láser. Figura 50. Robot para corte por láser. El haz llega al cabezal por fibra óptica. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 85 -Scanners El término scanner se corresponde en español a “exploración” o “barrido”, indicando que se cubre densamente una zona de superficie. Así, los scanners serán los elementos ópticos-mecánicos que permitirán a un haz láser efectuar un barrido de líneas colaterales hasta abarcar un área determinada. La característica fundamental de estos sistemas es que pueden moverse con gran rapidez, pues al estar formados por piezas de pequeño tamaño y poca masa presenta muy poca inercia al movimiento. El sistema scanner más utilizado es el que utiliza espejos oscilantes. El haz láser se hace incidir sucesivamente en dos espejos que oscilan sobre ejes perpendiculares entre sí. A la salida del cabezal el haz láser es dirigido por medio de un espejos deflector a 45º hacia un espejo focalizador, que a su vez lo reflejará hacia el primer espejo móvil, el cual al oscilar moverá el haz a lo largo de una dirección. De modo análogo, con la oscilación del segundo espejo se regulará la posición del haz en la otra dirección del plano, perpendicular a la primera. Hay que destacar que cada posición del haz sobre la superficie de trabajo viene fijada por una posición concreta de los dos espejos oscilantes. Un sistema equivalente y muy utilizado es el que sustituye el conjunto formado por el espejo deflector más el espejo focalizador por una lente focalizadora a la salida del haz seguida de dos espejos oscilantes, con los dos motores que gobiernan su movimiento. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 86 Figura 51. Scanner láser con dos espejos giratorios. Un sistema diferente es el que emplea un conjunto poligonal de espejos deflectores en rotación. El haz láser, al incidir sobre una cara de espejo en movimiento, describirá un tramo de línea recta sobre la superficie cuya longitud vendrá delimitada por las dimensiones de dicho espejo. Al continuar la rotación, el haz pasará a incidir sobre el espejo contiguo, con lo que el haz volverá a la posición inicial describiendo nuevamente el fragmento de línea recta. Al combinarse este movimiento con uno perpendicular de la pieza puede abarcarse también un área de trabajo de dos dimensiones. Figura 52. Sistema poligonal de espejos deflectores. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 87 - CAD/CAM para equipos láser El diseño asistido por ordenador (CAD), unido a la fabricación asistida por ordenador (CAM), constituyen una vía para incrementar la productividad y eficacia en la industria. Un programa base para aplicaciones láser, como marcado, corte, soldadura o perforado, presenta cuatro componentes mayoritarios, todos con una referencia común. Los componentes (input, output, técnica de posicionamiento y láser) usan vectores de información. El primer componente input genera una base de datos CAD a partir de la información exterior, utilizando para ello programas software. El desarrollo de paquetes de software de ayuda al diseño para PC ha convertido la obtención de piezas optimizadas para el procesado láser en una realidad asequible en tiempo y costes para cualquier industria. El siguiente componente, output, actuará como nexo de unión entre los códigos generados por el programa CAD y el lenguaje de trabajo de la porción de programa CAM. La mayoría de configuraciones CAD usan plotters con coordenadas X-Y, para poder obtener dibujos físicos de la información generada. Generalmente, los datos para salida de plotters suelen estar organizados de forma estándar utilizando el mismo tipo de lenguaje para gráficos. Existe además una gran similitud entre los comandos necesarios para gobernar el lápiz de dibujo y el cabezal del láser. Ambos funcionan bajo órdenes simples, por ejemplo, lápiz arriba, lápiz abajo o enciende láser, apaga láser. La gran ventaja recae, sin embargo, en la posibilidad de generación de órdenes complejas por parte del sistema CAD, como son la operación de círculos, arcos de circunferencia, relaciones de escalas o velocidades de barrido o llenado de bloques gráficos. La técnica de posicionamiento del haz láser es el tercer componente importante en la integración al programa CAM. La mayoría incluyen mesas de coordenadas, robots o sistemas galvanométricos de espejos deflectores X-Y (scanners). Todos ellos incluyen una estructura de comandos que puede utilizar vectores de información llegada de un postprocesador para coordinar y sincronizar los movimientos de la herramienta láser. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 88 El propio láser constituye el cuarto componente, proporcionando flexibilidad, versatilidad y una vía de trabajo segura para la manufactura y fabricación. Al mismo tiempo, el programa vectorial dirige el ciclo de trabajo regulando con eficacia el uso de la potencia del láser. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 95 potencia o bien un láser pulsante con una frecuencia de pulsos suficiente para permitir su solapamiento. Métodos de soldeo Se pueden distinguir dos procesos de soldeo por láser en función de la densidad de potencia aplicada sobre la pieza: 1. Por conducción o modo con fusión. Se utiliza densidad de potencia baja. Al iniciar la aplicación del rayo láser el metal refleja gran cantidad de la radiación y solo absorbe una pequeña parte, que calienta por conducción el metal en la zona de incidencia del haz y en sus alrededores. Una vez que el calor aportado es lo suficientemente elevado se funde la superficie del metal. Este metal en estado líquido absorbe mayor proporción de energía del láser con lo que se consigue un mayor aprovechamiento de la energía. El metal funde hasta una cierta profundidad, que depende de las características térmicas del material base y de los parámetros de soldadura. La convección es el factor más importante que influencia la geometría y la homogeneidad de la composición del baño fundido. Es también responsable de la formación de defectos como una penetración irregular, porosidad o falta de fusión. La conducción térmica no es direccional y por lo tanto se obtienen valores bajos de la relación profundidad-anchura del cordón. La profundidad de penetración alcanzable con la soldadura por conducción es inferior a 1÷2 mm, dependiendo de las propiedades térmicas del metal soldado. En este tipo de soldadura se obtienen unas relaciones de profundidad/anchura de 1.5/1 lo que quiere decir que su profundidad puede ser sólo de una vez y media el valor de su anchura. El rendimiento del proceso oscila entre el 8% y el 15%. Por otro lado el área de afectación térmica (región adyacente a la zona fundida que sufre transformaciones durante la soldadura debido al calor recibido) es bastante amplia. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 96 La soldadura láser por conducción es utilizada en varias aplicaciones como el cierre hermético de componentes electrónicos y la unión de metales preciosos. Si la intensidad del haz láser aumenta, se supera la temperatura de vaporización del material, tendremos tres fases simultáneas sobre el material (sólido, líquido y gaseoso). Figura 55. Este aumenta de intensidad del láser hace coexistir el líquido y el vapor, en este momento comienza la formación del keyhole y el sistema en superficie es inestable. 2. Por penetración o modo con keyhole. En este procedimiento se emplean láseres de densidad de potencia alta (>1010W/m2) que proporcionan un mayor aprovechamiento de la energía y una mayor penetración de la soldadura. Se trata de calentar la zona de la soldadura por encima del punto de fusión, formando un agujero o keyhole en el metal. El keyhole se forma cuando el haz de densidad de potencia elevada causa la vaporización del sustrato con formación de un hoyo. La presión producida por el vapor en el cráter provoca el desplazamiento hacia arriba del material fundido a lo largo de las paredes del hoyo. El keyhole se forma solo si el haz tiene densidad de potencia suficiente (>106 W/cm2). Está llenado por gas o vapor creado por la continua vaporización del Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 97 material por el haz. La cavidad está rodeada por el líquido que a su vez está rodeado por el sustrato sólido. El flujo del líquido y la tensión superficial tienden a anular la cavidad, mientras el vapor, que se genera continuamente, tiende a mantenerla. El keyhole puede alcanzar un estado estacionario (en el cual la cavidad y la zona fundida se mueven a la velocidad del haz mismo). Al aumentar la intensidad del haz, por encima de un cierto valor limite, la formación del keyhole se “debilita” y al mismo tiempo se observa una ampliación de la zona de fusión. Este fenómeno se debe a la absorción de la radiación láser por parte del plasma (que se ha formado por ionización de los vapores metálicos gracias al aumento de la intensidad del laser) que a su vez transmite la potencia absorbida a la pieza elaborada. El efecto pantalla del plasma puede ser limitado con el uso de gases adecuados (ej. He) o reduciendo la presión ambiental. La protección aumenta de manera importante al aumentar la longitud de onda; por este motivo los láseres a Nd:YAG (con λ=1.06μm) son preferibles a aquellos a CO2 (con λ=10.6μm) cada vez que se requieran altas intensidades. La focalización del haz es mejor en los sistemas con menor longitud de onda, porque resulta menor el tamaño del spot y por lo tanto mayor la intensidad. Figura 56. Comparativa soldadura por conducción y keyhole Las dimensiones de la soldadura vienen dadas por la profundidad y la anchura de la zona de material fundido. En un corte transversal de la soldadura la zona de fusión presenta una forma de “pera invertida” con diferentes relaciones de Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 98 profundidad/anchura. La penetración de la soldadura es función de la velocidad del proceso, de la potencia del haz y de las características de su focalización. La máxima penetración para una potencia y velocidad dadas se alcanza focalizando el haz láser ligeramente por debajo de la superficie, decreciendo cuando el haz se focaliza en la misma superficie o a más profundidad en la pieza de trabajo. En este tipo de soldadura se obtienen unas elevadas relaciones de profundidad/anchura, entre 5/1 y 12/1, lo que permite la realización de buenas soldaduras. La zona de afectación térmica es la región adyacente a la zona fundida que sufre transformaciones durante la soldadura debido al calor recibido. Es un parámetro importante en la valoración de la calidad de la soldadura. De la misma manera que hablamos de una eficiencia en la absorción de la radiación incidente de los distintos materiales, podemos hablar de un rendimiento de la soldadura. Tomaremos este rendimiento como el coeficiente entre la energía necesaria para soldar el material y la energía total utilizada en el proceso. La diferencia entre estas dos energías es debida a las pérdidas por conducción dentro del material y por convección y radiación al ambiente. La determinación de la energía necesaria para soldar un material se realiza mediante cálculo, en el cual se tienen en cuenta el área de la zona tratada, la velocidad de la soldadura, la densidad y las propiedades térmicas del material. En este tipo de soldadura se alcanzan rendimientos de hasta el 70%. - Composición y caudal del gas de protección (gases de aporte). Los gases empleados en soldadura láser deben cumplir varias funciones:  Proteger al metal fundido de la atmósfera.  Controlar la formación de plasma.  Proteger las ópticas del humo y de las salpicaduras.  Controlar el afinado de las propiedades del material. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 99 Estas funciones son las mismas tanto si se suelda con láser de CO2 como con Nd:YAG, a excepción del control de la formación del plasma que solo se tiene en cuenta en el caso de los láseres de CO2. Es importante elegir bien el gas para cada aplicación de soldadura, para lo que hay que tener en cuenta:  Tendencia a la formación de plasma: Durante la soldadura láser de alta potencia la zona de la unión se llena con metal en estado vapor, átomos ionizados y electrones, formando un plasma que facilita la transferencia de energía entre el haz láser y el material. Este plasma puede absorber mucha energía del haz e impedir la soldadura. Los gases de la soldadura y del ambiente pueden reducir o aumentar la formación de este plasma. En la tabla se muestran las propiedades de diferentes gases. El helio es un gas inerte, pero reduce la formación de plasma porque tiene una energía de ionización elevada y un peso molecular pequeño. En cambio el argón se ioniza con facilidad siendo propenso a la formación excesiva de plasma. La formación de plasma es propia de la soldadura láser de CO2 de alta potencia ya que requiere una alta intensidad de energía.  Afinado de las propiedades del material: Para muchas aplicaciones, es conveniente utilizar gases inertes, como son el helio y el argón, porque no reaccionan con el metal soldado. En cambio, los gases activos como son el dióxido de carbono y el nitrógeno, pueden reaccionar con el metal base formando óxidos, carburos y nitruros, viéndose afectadas las propiedades mecánicas de las piezas. Sin embargo, estos gases pueden ser ventajosos en determinadas aplicaciones, como el uso del nitrógeno para proporcionar mayor resistencia a la corrosión y una menor variación microestructural de la soldadura en cientos tipos de acero inoxidable. Gas Peso molecular (g/mol) Conductividad térmica a 1bar (W/m.K) Energía de ionización(eV) Densidad relativa/aire He 4 0,15363 24,6 0,14 Ar 40 0,17320 15,8 1,38 N2 28 0,02550 15,6 0,96 CO2 44 0,01616 13,8 1,52 Figura 57. Propiedades de los gases Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 100 - Tipos de materiales Las propiedades físicas de los materiales son de gran importancia para el éxito de la utilización del láser en la soldadura. Las propiedades que más influyen son la difusión térmica, que da idea de la trasmisión de calor dentro del material, la reflexión de la radiación y los puntos de fusión y ebullición. - Acero carbonado: Su principal constituyente, el hierro, presenta un valor medio de difusión térmica, altos puntos de fusión y ebullición y alta reflectividad a la radiación de 10,6µm. A pesar de esta última característica se lleva a cabo la interacción de la radiación con el material. Aquellos aceros que tienen azufre, fósforo o impurezas en cantidades elevadas sufren roturas al enfriarse rápidamente. El plomo provoca la aparición de porosidades debido a que vaporiza en la zona de fusión por las altas temperaturas alcanzadas. Si el contenido del carbón supera el 0.25%, la soldadura resulta altamente quebradiza y aparecen roturas si se produce un rápido enfriamiento. En estos caso es aconsejable un calentamiento previo de la pieza a soldar, así como un lento enfriamiento después del proceso, se hacen necesarios para evitar dichas roturas. - Acero inoxidable: Presenta una menor difusión térmica y coeficiente de difusión para el láser de CO2, así como un nivel de impurezas menor que el acero carbonado. Esto hace que sea un buen material para soldar, obteniendo mayor profundidad de soldadura, menor anchura de ZAT (zona de afección térmica) y soldaduras más limpias que para el acero carbonado. - Aceros del tipo sintéticos (serie300): Son buenos candidatos para la soldadura con láser. Se obtiene mejores resultados que con las técnicas tradicionales de soldadura debido a la mayor localización de la energía y a la vaporización de las impurezas. - Aceros del tipo ferríticos y martensíticos (serie 400): Pueden también soldarse con láser. La única precaución que hay que tener es un precalentamiento de la pieza para evitar roturas durante el enfriamiento posterior a la soldadura. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 101 - Aleaciones de aluminio: Tienen un coeficiente de difusión térmica muy alto y un coeficiente de reflexión alto, lo que hace que la interacción del láser con el material sea difícil. Por otra parte, el bajo punto de ebullición del zinc y del magnesio, típicos constituyentes de las aleaciones, favorecen niveles altos de porosidad en la soldadura. Esto deja a las aleaciones 2219, 3003 y al aluminio como los único materiales en los que se pueden obtener buenas soldaduras con láser. - Aleaciones de cobre: Estas aleaciones presentan un coeficiente de reflexión y difusión térmica aún más altas que las de aluminio. Para poder tratas estos materiales con láser es necesario un tratamiento de la superficie, a fin de rebajar el coeficiente de reflexión. Una vez solucionado este problema se pueden realizar soldaduras con láser, aunque la potencia requerida es mayor que para el caso de aleaciones de aluminio. En el latón, por la alta proporción de zinc, las soldaduras presentan una gran porosidad. - Aleaciones de níquel: Estas presentan una buena absorción de la radiación por lo que, al igual que las de acero, las aleaciones que pueden soldarse por métodos convencionales también pueden hacerse por láser. El níquel es muy sensible a la contaminación por aceite, grasa o suciedad, por lo que es necesario limpiar profundamente la superficie a soldar. - Tántalo, titanio y zirconio: Estos materiales tiene un bajo coeficiente de difusión térmica y de reflexión, lo que permite llevar a cabo buenas soldaduras con láser. La principal dificultas es la gran facilidad que tiene para oxidarse, lo que obliga a realizar la soldadura en una atmósfera inerte. - Sistemas láser utilizados Una instalación láser dedicada al soldeo de materiales consta de las tres partes siguientes: - Un generador láser: es la máquina encargada de transformar la energía eléctrica de red en luz coherente. - Un camino óptico: sirve trasladar la luz láser desde el generador hasta el lugar de aplicación. Para ello se usan una serie de espejos que giran el rayo. Algunos tipos de Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 102 láser permiten realizar la conducción de luz por fibra óptica, lo que aporta una mayor flexibilidad a los procesos. - Una cabina de protección: su función es proteger a las personas que se encuentran en esta zona y evitar la entrada de forma descontrolada. Sus características dependen del tipo de aplicaciones y de la tecnología empleada en el generador láser. Integran en su interior los siguientes elementos:  Un cabezal de aplicación: es el encargado de recoger el láser al final del camino óptico y adecuarlo, mediante ópticas, para que sus características sean las adecuadas en el lugar de aplicación. Se le pueden añadir elementos suplementarios como cámaras, sensores, elementos de sujeción, conducciones de hilo de soldar,.. dependiendo de la aplicación.  Un sistema de movimiento: Para poder efectuar la unión entre dos piezas es necesario que haya movimiento relativo entre el cabezal de soldadura y las piezas. Para lo que se puede emplear distintos tipos de instalaciones.  Unos utillajes de posicionamiento: El posicionamiento de las chapas es un tema crítico pues su precisión se determina en décimas de milímetro. Destaca la precisión del ajuste del posicionamiento entre chapas y del posicionamiento del haz láser respecto a la junta a soldar.  Un lugar de aplicación. - Sistemas auxiliares: entre los que destaca el sistema de refrigeración, que pueden ser circuitos de agua o un flujo continuo de mezcla de gases, dependiendo de la tecnología constructiva empleada y del modo de excitación. Debido a la gran variedad de características técnicas de las distintas fuentes de soldeo disponibles, existen diversos tipos de instalaciones que se pueden clasificar en función del tipo de sistema empleado para el desplazamiento relativo entre al haz y la pieza: Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 103  Sistema de desplazamiento 2D: Son instalaciones que se emplean, por ejemplo, para la realización de formatos a medida (“tailored blanks”) en aplicaciones de automoción.  Sistema robotizado con brazo articulado: Se trata de un sistema que transporta el láser de CO2 desde la fuente hasta el cabezal de soldeo con la ayuda de un brazo articulado. Es un tipo de instalación no muy común en la actualidad pues es mucho menos versátil que una fibra óptica y además necesita un mayor mantenimiento.  Sistema robotizado con fibra óptica: En este tipo de sistemas, el haz láser viaja desde la fuente hasta el cabezal de soldeo a través de una fibra óptica flexible. Son sistemas con un precio más bajo y además prácticamente no existe limitación en la movilidad del robot.  Sistema robotizado con fibra óptica y cabezal escáner: Se trata de un tipo de instalación idéntica a la anterior pero en el que, mediante un movimiento sincronizado de varios espejos y lentes, el cabezal de soldeo es capaz de desplazar el haz láser en un campo de trabajo espacial. La ventaja de esta tecnología radica en que permite ahorrar tiempos de posicionamiento entre cordones minimizando de esta forma el tiempo de ciclo.  Sistema de soldadura remota: Este sistema consiste en una fuente de láser CO2 de alta calidad de haz colocada sobre un pórtico fijo. El haz, al salir de la fuente, se dirige hacia un sistema óptico formado por una lente de enfoque motorizada y un espejo con dos ejes de giro de forma que el campo de trabajo consiste en un área XY.  Láser montado sobre robot: La fuente láser se puede colocar directamente sobre la muñeca de un robot cuando su peso no es demasiado elevado. Existen robots especialmente diseñados para montar láseres de CO2 que reducen la longitud y la complejidad del camino óptico. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 104  Máquina de control numérico 3D: Existen sistemas CNC específicos para aplicaciones en tres dimensiones que necesiten una precisión de movimiento importante. En el caso de usar una fuente de CO2, el sistema CNC incorpora el camino óptico a las estructuras del pórtico, mientras que si emplea una fuente de estado sólido acoplada por fibra óptica se diseñan carriles para asegurar el buen movimiento de la fuente. 7.1.3.- Geometría de soldadura Un aspecto importante en la soldadura con láser es la ausencia de aporte de material exterior, es decir, toda la soldadura proviene de los materiales a unir. Esto hace que en la geometría de la soldadura la unión entre los cuerpos a soldar sea un punto crítico para evitar la formación de agujeros y consiguientemente de malas soldaduras. Algunas de las geometrías utilizadas en la industria son las siguientes:  Soldadura de extremos: se aplica el haz láser en la zona intermedia entre dos piezas de espesor entre 1 y 6mm, la zona de unión ofrecerá más resistencia a la tracción incluso que el material primitivo. Figura 58. Soldadura de extremos.  Soldadura solapada: el láser se aplica sobre la superficie superior de una de las piezas cuyo espesor no debe superar los 3mm. La soldadura debido a la penetración, alcanza la pieza inferior uniendo así las dos. Figura 59. Soldadura solapada.  Soldadura en T: el funcionamiento es similar al anterior método con la particularidad del posicionamiento de la pieza inferior. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 111 modelos distintos de coche, disminuyendo a la cuarta parte el espacio ocupado por la anterior instalación de soldadura por resistencia eléctrica, y minimizando el tiempo de cambio. Sin embargo, la proporción de estaciones de soldadura láser sigue siendo pequeña frente a las de resistencia eléctrica en este tipo de aplicaciones. Actualmente, la mayor parte de las instalaciones de soldadura láser para este tipo de aplicaciones son de Nd:YAG. Otro caso especial de este tipo de aplicación es la unión de distintos materiales usados en carrocería (acero chapado en cinc, aluminio y otros compuestos) mediante la preactivación por calentamiento láser de los adhesivos. Este proceso puede sustituir al pre-fixturing por soldadura por puntos con resistencia, evitando sus inconvenientes.  Tailored blank welding Esta última aplicación consiste en la soldadura de chapas planas de diferente composición y/o espesor previamente al proceso de embutición y corte (Tailored blank welding). Su utilidad reside en la posibilidad de reutilizar los restos que sobran del corte o estampación de otras chapas, así como en unir en una sola pieza secciones de chapa de distintos materiales, usando el más caro solo donde realmente es necesario. Por ejemplo, se pueden unir restos sobrantes del corte de otras piezas para formar una barra de refuerzo lateral en puertas de automóvil: esto requiere una pieza de una cierta longitud y resistencia, pero sin requerimientos estéticos puesto que va en el interior de la puerta y no se va a ver, de manera que se puede aplicar este tipo de chapa soldada con un considerable ahorro de costes. El uso de chapas constituidas por diferentes partes de distintas características también supone un ahorro importante en peso y coste de material. Las distintas partes a unir pueden tener desde una distinta composición hasta un diferente grosor o recubrimiento de distintos materiales. Por ejemplo, en ciertos modelos de Cadillac, el cinturón de seguridad va anclado en su parte superior a un pilar central, que debe tener suficiente resistencia. En vez de utilizar un refuerzo soldado en la parte superior de un pilar formado por una única chapa de iguales características en toda su longitud, se puede diseñar un nuevo pilar formado por dos trozos de chapa soldada, siendo el de la parte superior de un mayor grosor para tener más resistencia. Esto redunda en la Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 112 eliminación del refuerzo, disminución del metal utilizado, un menor utillaje de ensamblaje, etc. Aunque estas aplicaciones (típicamente, soldaduras de unos 0.8 mm. de espesor) se pueden efectuar con láseres de 1 kW, se usan también láseres de CO2 de alta potencia, de 6 e incluso hasta 14 kW, con el fin de aumentar la velocidad y asegurar una penetración suficiente. Por otra parte, la posibilidad de transmisión del haz por fibra óptica en láseres de Nd-YAG simplifica el diseño de la máquina y permite el uso de robots convencionales para realizar la aplicación. Generalmente, las soluciones que emplean este tipo de tecnología son de un coste inferior a las basadas en el láser de CO2 transmitido por espejos. Este tipo de aplicaciones se realiza con sistemas de dos-tres ejes y óptica móvil. La geometría de unión es a tope, lo que requiere una buena preparación y ajuste de los bordes de soldadura. La calidad y eficacia de los utillajes de sujeción es determinante debido a la geometría de unión utilizada.  Reparación de moldes: Soldadura de deposición con rayo láser Hay muchos motivos por los que los moldes de inyección deben ser reparados o re-trabajados. Los fallos pueden suceder durante la propia fabricación de los moldes o de los electrodos. Los bordes muy agudos o las partes delicadas del molde pueden sufrir daños durante su uso, manipulación o transporte. Las partes sometidas bajo fuerte presión están sujetas a desgaste y deben ser re-trabajadas si los valores de tolerancia se desplazan fuera de sus límites. Por supuesto, las piezas también se deben reemplazar de cuando en cuando. En la soldadura por deposición con láser, el área de la pieza rota o dañada se rellena usando varilla de aportación. El alambre es guiado sobre el componente de manera que el haz láser provoca la fusión conjunta y simultánea del alambre y la superficie del material base, en el orden de un milisegundo. Dependiendo del diámetro de la varilla empleada, la altura total de la unión se alcanza con la adición repetida de capas de alambre. El contorno geométrico final se obtiene a continuación mediante técnicas de mecanizado –corte- o electro erosión. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 113  Soldadura laser de ferrocarril (paneles laterales de vagón) Las excelentes cualidades de la soldadura laser para soldar chapas de espesores finos sin crear apenas distorsiones y con un cordón de soldadura muy fino, lo hace ideal para diversos sectores , tales como el ferrocarril o cualquier otra industria que requiera soldar chapas finas de acero común o inoxidable. En este tipo de industria existen diversas aplicaciones de la soldadura láser, como puede ser la soldadura de costados o la soldadura de perfiles a los costados (omegas). Ventajas principales: El poco aporte de calor y por lo tanto la casi nula deformación del material, unido a la excelente cosmética del cordón, minimizan al máximo los procesos posteriores habituales a la soldadura, como enderezado, pulido etc.  Soldadura láser en envases En el año 2005, la empresa alemana Rasseltein GmbH, productor de hojalata, presentó un nuevo embase, el CosmoCan®, un innovador concepto tanto en materia de diseño como de ingeniería. El sistema de soldadura láser ha sido usado por primera vez con éxito en este caso, a escala masiva para el formado del envase CosmoCan®. La tapa, el cuerpo y el fondo han sido soldados por sistema láser, lo que se ha traducido en un acabado suave en las uniones. Este nuevo concepto de manufactura ofrece la oportunidad para otros desarrollos especiales, y además ha significado un ahorro en material y costos porque se ha pasado de calibres de 0.17mm a solo 0.12mm en el nuevo CosmoCan®. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 114 Figura 65. Envase CosmoCan®. La nueva tecnología de soldadura para envases con láser facilitará también la producción de envases de tan solo 10mm lo cual abre completamente las posibilidades a nuevos procesos de manufactura. Y otra gran ventaja e innovación adicional en las características del nuevo envase CosmoCan®., es que el acero constituyente del material del envase, ha sido recubierto por ambas caras con PET; y esta película polimérica puede imprimirse en la cara interna para lograr una excelente apariencia gráfica. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 115  Piezas aeronáuticas en aluminio, titanio, superaleaciones base níquel Figura 66.  Industria de alimentación (soldadura de máquinas de procesado y embalaje de alimentos, cuchillas de corte) 7.1.6.- Comparativa con otros métodos de soldadura Las principales ventajas de la soldadura con láser en comparación con otras técnicas de soldeo son las siguientes:  El láser, al ser luz, no tiene inercia, favoreciendo arranques y paradas rápidas.  Alta localización de la energía y bajo aporte térmico.  Mínima zona afectada por el calor (ZAT).  La deformación de las piezas es menor.  Alta velocidad de soldadura y buena penetración.  Se consiguen cordones de alta calidad con altas resistencias de tracción y fatiga.  Requiere menos preparación de juntas.  No es necesario el uso de electrodos y el material de aporte es opcional.  Con la soldadura por “heyhole” pueden alcanzarse profundidades de penetración mayores que con otras técnicas.  Permite la soldadura de varias capas de material con una sola pasada debido al alcance de la profundidad de penetración.  Permite la localización exacta de la soldadura sobre la junta, presentando éstas grandes resistencias a tracción y a fatiga. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 116  Posibilidad de recuperación de cantos dañados.  Altas tasas de producción.  Se puede acceder a zonas difíciles de alcanzar con otras técnicas.  Puede usarse en el soldeo de materiales difíciles, como por ejemplo el titanio. .  Fácil automatización del proceso.  Permite alcanzar mayores velocidades, mayor penetración y calidad de la soldadura, y permite soldar juntas que, debido a sus características, resultan difíciles de soldar mediante otras técnicas.  La precisión del procedimiento es la mayor existente. Por otro lado, el principal inconveniente de la soldadura con láser es el precio, aproximadamente 10 veces superior al coste de la soldadura a arco. Un aspecto técnico crítico en la soldadura por láser son los parámetros de impulso, hay que controlarlos para evitar la vaporización de la superficie. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 117 7.2.- Corte de materiales 7.2.1.- Proceso de corte por láser El corte con láser es un proceso inducido térmicamente, en el cual la energía del haz de luz focalizado es absorbida por el material, que se vaporiza formando así el corte. Los factores que determinan la posible aplicación del láser en el corte de materiales son, en su mayoría, propiedades ópticas, térmicas, eléctricas y mecánicas del propio material. La absorción de la radiación incidente es uno de los más importantes. No sólo depende de las características del material, sino también en gran medida de la longitud de onda de la radiación. Para los materiales aislantes, la absorción aumenta rápidamente llegando a valores próximos al 100% a partir de una longitud de onda de 2µm. En el caso de los metales la absorción disminuye exponencialmente con la longitud de onda. Para la longitud de onda de 10.6µm, típica del láser de CO2, la interacción entre los electrones libres del material y la radiación es la causa de la alta reflectividad y baja absorción que presenta los materiales de elevada conductividad eléctrica como el oro y la plata. Para el hierro y materiales de conductividad eléctrica media, la reflectividad y la absorción tienen valores intermedios. Del mismo modo que la reflexión de la radiación disminuye con la temperatura de material, la absorción aumenta con la temperatura, pudiendo experimentar un incremento de hasta el 30%. La combinación de estos dos fenómenos permite la utilización de láseres de CO2 para corte de materiales. Por otra parte, los metales presenta mayor absorción para la radiación de 1.06µm, características de los láseres de Nd:YAG. Esta menos longitud de onda permite la focalización del haz a un diámetro más pequeño, con lo cual la densidad de potencia alcanzada es muy grande, haciendo que el láser de Nd:YAG sea en muchos casos el elegido para la mecanización de sustratos metálicos. Eso sí, las potencias promedio que se alcanzan con los láseres de Nd:YAG son muy inferiores a las desarrolladas por los láseres de CO2, hecho que explica la mayor utilización del láser de CO2 en la industria. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 118 Otro factor a tener en cuenta es la conductividad térmica, ya que para que la radiación absorbida consiga elevar la temperatura hasta el punto de fusión y posterior vaporización es necesario que el calor suministrado permanezca concentrado en la zona de trabajo. Si el calor se difunde rápidamente (Oro, plata, cobre), el corte se ve dificultado. En la técnica de corte por láser la extracción del material se realiza por evaporación del mismo a lo largo de la zona de corte. El calor necesario para conseguir esta evaporación viene proporcionado por un sistema constituido por la fuente del haz láser y la boquilla, que incorpora la óptica de focalización y permite el flujo de gas de aporte, acoplando todo ello a un conjunto mecánico que permita el movimiento relativo entre el haz láser y la pieza a cortar. La transmisión de calor al material se realiza mediante la focalización del haz sobre la superficie, elevando su temperatura hasta el punto de ebullición y con la consiguiente evaporización. La temperatura de la zona adyacente es algo inferior con lo que sólo se produce fusión del material. La longitud focal de la lente a utilizar depende del espesor del material. Para planchas gruesas es necesaria una mayor profundidad de campo, lo que se consigue con lentes de focal larga. Además del haz incidente se utiliza un flujo coaxial de gas de aporte el cual realiza varias funciones: contribuye a la expulsión de material al incidir sobre la superficie de corte a presión, potencia el corte por oxidación de los metales o evita la combustión al crear una atmósfera inerte en el caso de los no metales, y protege la óptica de la incidencia de partículas procedentes de la zona de corte. El haz focalizado y la corriente de gas de aporte inciden sobre la cara superior de la superficie a cortar. Parte del haz es reflejado y parte es absorbido. Esta fracción de energía absorbida provoca un aumento de la temperatura, evaporando una zona del material e iniciando así el corte. A partir de este momento, el calor se propaga preferentemente en profundidad hasta atravesar la totalidad del material. El cilindro de material evaporado constituye el llamado frente de erosión. Concéntricamente a este Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 119 frente se forma una fina capa de material fundido separando la zona de corte del bloque sólido. Este frente avanza siguiendo el movimiento, trazando la línea de corte. Figura 67. Geometría del proceso de corte En el caso de utilizar un gar de aporte no inerte se produce una reacción exotérmica que contribuye a calentar esta zona de material fundido alcanzando temperaturas superiores al punto de ebullición. Este fenómeno provoca una fuerte evaporación en la superficie de la capa fundida con gran eliminación de material. Además, una fracción de la zona fundida es arrastrada fuera de pieza debido a la presión del gas. - Distintos procesos de corte láser En el proceso de corte láser podemos distinguir tres situaciones distintas:  Corte por sublimación láser: La alta intensidad del haz láser vaporiza el material directamente en el punto de trabajo. Luego, por lo general se usa un gas inerte para cortar, o sea, para expulsar el material y generar la ranura de corte. Esta situación la encontramos principalmente restringida al corte de sustancias no metálicas, como ser madera, papel, cerámica o plástico.  Corte por fusión láser: Aquí, el material fundido o derretido por el haz láser es expulsado por medio de nitrógeno, generando la ranura de corte. El nitrógeno es inyectado en la boquilla a alta presión (hasta 20bar) y al salir de ella por una pequeña perforación de la punta, se convierte en un Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 120 chorro de alta energía cinética. La fusión láser es particularmente utilizada en el corte de aceros cromo-níquel o aluminio libre de óxido, produciendo superficies de corte metalúrgicamente limpias.  Corte por quemado láser: El haz de láser calienta el material hasta su temperatura de encendido. Aquí se usa oxígeno como gas de corte. Después de alcanzada la temperatura de encendido, el material “se quema” con un chorro de oxígeno, generando una reacción exotérmica. La escoria producida es expulsada por medio del gas de corte generando la ranura de corte. Este proceso es particularmente utilizado para el corte de aceros dulces y en menor escala para cortes de acero inoxidable. - Gas de aporte Es conveniente recordar que el sistema de corte laser es un proceso de corte térmico, al igual que el corte por plasma y el oxicorte. En el sistema de corte laser se combina la energía de un “haz enfocado” con un gas de asistencia, el cual es introducido a través de una boquilla coaxial al haz enfocado. La alta velocidad de este chorro de gas de asistencia sirve para:  Ayudar a remover el material quemado, fundido o vaporizado, por la parte inferior de la pieza que se está cortando.  Proteger las lentes de la escoria eyectada desde la zona de corte, especialmente durante la perforación.  En algunas combinaciones de material/gas, para aumentar las velocidades y la calidad de corte. Normalmente se utilizan como gas de asistencia, dos tipos distintos; una posibilidad es utilizar un gas reactivo (oxígeno) y la otra es cortar utilizando un gas inerte (nitrógeno). Cuando se requieren bordes de corte libres de óxido entonces debe utilizarse un gas inerte. Igualmente en los casos donde el material reacciona fuertemente con el oxígeno, como por ejemplo el titanio. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 127 descomposición con el aumento de la temperatura y los vapores formados no tienen coloración. Independientemente del tipo de plástico, un factor importante para conseguir cortes de calidad es la distancia existente entre el punto focal y la superficie del material. Variaciones de posición relativa entre el foco y superficie afectan a la anchura del corte y a la forma del mismo. Focalizando el haz a una cierta distancia por encima de la superficie, se obtienen cortes anchos con las paredes del corte rectas y paralelas. Cuando se focaliza en el interior del material, la anchura del corte en la parte superior es mayor que en el inferior, describiendo las paredes una forma cónica. En conjunto el corte es más estrecho, consiguiéndose los mínimos valores cuando se sitúa el punto focal a 1/3 del espesor total del material. Si el punto focal coincide con la superficie, la anchura y forma del corte son intermedios de los casos anteriores. En el corte de metacrilato el gas de aporte desempeña un papel muy importante,. La determinación del flujo adecuado para la consecución de resultados óptimos, además de la elección del tipo de gas, requiere un estudio para cada tipo de proceso en los que intervenga este material. De este modo, el empleo de gas inerte, como nitrógeno o argón, proporciona una mayor protección frente a la posible combustión o inflamación de los vapores formados que la suministrada por un flujo de aire. Sin embargo, el aire puede constituir un buen gas de aporte económico si se emplea un sistema potente de aspiración de vapores. El gas de aporte contribuye al mismo tiempo al enfriamiento de la zona de trabajo. Si la presión del gas es excesiva los vapores formados se depositan de nuevo en el ángulo superior del corte. Debido a que aún está ligeramente caliente se adhieren con facilidad y forman una línea de rugosidad; en caso contrario la superficie del corte aparece lisa y brillante. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 128 7.2.5.- Corte de madera La madera absorbe la radiación láser casi en su totalidad. Las temperaturas que se alcanzan en la zona de corte son superiores a los 4700ºC. La energía absorbida rompe los enlaces orgánicos del material produciendo los residuos típicos de la combustión de madera en ausencia de oxígeno, como son la carbonilla, alquitranes y algunos hidrocarburos gaseosos, los cuales pueden ser fácilmente extraíbles con un aspirador convencional. La cantidad de residuo formado en el corte depende en gran medida del tipo de madera. Así, al cortar maderas nobles, se observa un ligero oscurecimiento de la zona cortada debido a la combustión producida. Cuando se trata de tablero, formado por capas sucesivas de madera encolada, el corte aparece mucho más oscuro, en especial en la zona de la cola, observándose bandas más claras, correspondientes a las propias capas de madera. Si la pieza a cortar está compuesto por aglomerado, en el que la madera se forma de pequeñas astillas y serrín prensado con cola, el resultado es un corte uniforma y muy oscuro de carbonilla. La velocidad del corte depende entre otros factores del espesor del material. La anchura del corte es controlada por la potencia del láser, la velocidad del proceso y la distancia entre el punto focal y la superficie del material. El gas de aporte desempeña un papel importante en el acabado del corte. Si se emplea un gas inerte como el nitrógeno se crea una atmósfera local exenta de oxígeno, minimizando las posibilidades de combustión. Para aquellas aplicaciones en las que el oscurecimiento del corte sea admitido puede emplearse como gas de aporte un flujo de aire. Una de las grandes ventajas de la utilización del láser en el corte de la madera es la ausencia de contacto con la pieza. Gracias a ello se eliminan todos los inconvenientes causados por el clásico desgaste de las hojas de sierra. Por otra parte se evitan posibles deformaciones o fracturas en la pieza permitiendo el corte de maderas frágiles como las utilizadas en marquetería. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 129 La gran versatilidad proporcionada por los sistemas actuales de corte por láser ofrece la ventaja de diseño de prototipos con facilidad. Esto hace que la producción de series cortas sea rentable. Figura 71. Contrachapado cortado con láser. 7.2.6.- Corte de otros materiales A pesar de que las aplicaciones industriales recaen mayoritariamente en el corte de metales, plásticos y madera, existe una gran diversidad de materiales que también pueden tratarse con láser. Entre estos encontramos piel, tela, cartón, papel, vidrio, cerámica, etc. La capacidad de seguir la complicada forma de las piezas en la fabricación de ropa y de obtener cortes limpios con objeto de evitar el posterior deshilachado hacen del láser una herramienta idónea en la industria de la confección. El procesamiento clásico de materiales cerámicos reviste gran dificultad debido a su gran dureza y extrema fragilidad. La gran importancia de estos materiales en la industria de la electrónica ha hecho que se investiguen nuevos procesos de mecanizado. El láser ha resultado ser de gran eficacia en este tipo de operaciones. El láser utilizado en este tipo de materiales sería de CO2 trabajando en modo pulsado con el fin de disminuir al máximo la concentración de calor que `podría causar microfisuras o llevar a rotura de la pieza. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 130 El uso del láser para sistemas industriales de grabado y corte de papel hace posible reproducir grandes volúmenes de papel troquelado con detalles de mucha calidad. A diferencia del troquelado convencional, el láser de corte no necesita herramientas físicas que toquen el papel. Un haz de energía de luz pura vaporiza literalmente las fibras. Es como una extensión del proceso fotográfico, o como una luz proyectada que quita cada papel que le es expuesto. Combinándolo con impresiones o con otro efecto embellecedor, el efecto puede ser impresionante. Este acabado relativamente nuevo crea una característica espectacular y efectiva en las piezas que tienen una aplicación publicitaria impresa, postales, tarjetas comerciales, invitaciones personalizadas, identidad corporativa y una amplia gama de diferentes medios de comunicación. 7.2.7.- Ejemplos de aplicación El sistema láser de corte de materiales tiene, entre otras, estas aplicaciones:  Corte de chapas Una de las aplicaciones más extendidas del corte por láser es el corte de chapas metálicas. Muchas empresas se dedican a dar éste servicio a otras empresas que debido al precio de la maquinaria no pueden instalar una máquina de corte láser en su negocio. Mediante láser se pueden cortar todo tipo de materiales metálicos, además se puede alcanzar cualquier orientación de corte dentro de la zona de trabajo pudiendo hacer cortes con cualquier trayectoria. Figura 72. Detalle de corte en chapa. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 131  Industria automoción Entre las aplicaciones industriales del láser para procesado de materiales se calcula que en torno al 60% de la actividad está dedicada al corte. Una de las industrias que mayormente absorbe esta actividad es la industria del automóvil y la industria auxiliar del automóvil. Algunas de las causas que justifican el uso del corte láser de chapa tridimensional en el sector del automóvil son:  Herramienta necesaria en corte de preseries en el proceso de fabricación de troqueles cortantes.  Alternativa de coste aceptable al uso de troqueles cortantes. Se debe considerar esta aplicación únicamente en casos de series limitadas.  Corte rápido de paneles de carrocería para el automóvil.  Reduce el stock en series especiales posibilitando cortar opcionalmente. Es posible que el sector auxiliar suministre un tipo de pieza, que dependiendo de opciones de venta del vehículo podrá ser cortada o no en la cadena de producción de una manera opcional, por ejemplo justo en la etapa anterior al proceso de pintado.  Las células de corte son flexibles y reducidas y si incluyen un robot, adquieren todas las posibilidades de reprogramación y reutilización que introduce éste último. Figura 73. Corte por láser en fábrica de Seat-Martorell Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 132  Fabricación de troqueles Una de las aplicaciones de corte de madera por láser con mayor tradición es la fabricación de troqueles para la industria de embalajes de cartón. Desde hace aproximadamente 35 años en el Reino Unido se emplean sistemas láser que incorporan una fuente de CO2 de 300W de potencia operando en modo continuo. Mientras la fuente permanece estática las piezas se desplazan debajo del haz por medio de unos ejes de coordenadas móviles gobernados por control numérico. Utilizando nitrógeno de gas de aporte coaxial se consiguen ranuras limpias de cartón en el corte de madera de arce laminada y contraplacada. Figura 74  Otras aplicaciones Hoy en día, el corte por láser es utilizado en multitud de empresas muy diferentes. Algunas de estas aplicaciones son:  Corte por láser en la personalización de objetos: Agendas, plumas, llaveros, lentes, calculadoras, teléfonos móviles, equipos de radiocomunicación.  Corte por láser en serialización: Etiquetas plásticas o metálicas para producción en serie. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 133  Corte láser en manualidades y maquetas.  Corte láser en la industria textil y calzado.  Corte láser en publicidad: Tazas, vasos y ceniceros grabados con logos; letreros… 7.2.8.- Comparativa con otros métodos de corte. Las técnicas que compiten con el láser en el corte de materiales son la prensa, la sierra, el oxicorte, el corte por plasma y cortes por erosión (agua y agua con abrasivos). Frente a los procesos mecánicos la principal ventaja del láser reside en la ausencia de contacto con la pieza y una mayor rapidez de la operación. El coste de la inversión inicial se compensa con los gastos que originan el desgaste de las sierras y troqueles. Además, gracias a la utilización de sistemas automatizados, el láser ofrece mayor versatilidad. El corte por agua comparte con el láser la propiedad de no establecer contacto con la pieza. Además no origina ninguna afectación térmica y puede cortar espesores mayores. Sin embargo las velocidades de corte son inferiores con un coste de funcionamiento mayor. Por otra parte, la instalación es más voluminosa. El proceso de oxicorte tiene un coste de inversión y de mantenimiento bajo, además es capaz de cortar grandes espesores y es un buen método cuando haya operaciones secundarias, como mecanizado posterior o fresado. Los inconvenientes de este método son la naja velocidad de corte, la necesidad de un tiempo de precalentamiento y la gran zona de afectación térmica, mucho mayor que en el láser. Además tiene problemas con el corte de de inoxidables y aleaciones de aluminio. Las principales ventajas del láser comparándolo con los otros procesos de corte son:  Más rápido que plasma de alta definición  Corta perfiles de forma compleja  Elevada precisión y calidad de piezas cortadas (sobre todo en espesores  pequeños y medianos) Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 134  Kerf reducido  Zona Afectada Térmicamente muy reducida  Variedad de materiales a cortar  Algunos inconvenientes de este proceso son:  No puede cortar materiales reflectantes (Al, Cu, etc.)  Velocidad reducida para espesores < 3 mm  Inversión inicial elevada (en comparación con oxicorte, plasma o agua)  Inversión alta / Coste elevado de consumibles (boquillas, electrodos) La elección del proceso de corte más apropiado dependerá de nuestras necesidades:  Tipo de material a cortar  Espesores de corte  Velocidad de corte  Acabado pieza cortada  Precisión  Zona afectada térmicamente  Necesidad de operaciones secundarias  Complejidad de la pieza a cortar  Costes de operación  Inversión necesaria. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 135 7.3.- Perforado de materiales Poco después de la invención del láser en la década de los sesenta, se empleaba la primero máquina industrial que incorporaba un láser de rubí para perforar troqueles de diamante para trefilar alambres (estirar hilos para reducir su diámetro). Ésta fue declarada como la primera aplicación industrial conocida del láser a nivel de producción. El perforado láser continuó desarrollándose en Estados Unidos a los largo de los años setenta, empleándose para taladrar agujeros en componentes de motores en la industria aérea. Por entonces se utilizaban los láseres de rubí y Nd:vidrio, adoptándose con posterioridad el uso del láser de neodimio:YAG. Este método ha demostrado ser un proceso seguro y efectivo durante más de 30 años, y actualmente es conocido suficientemente bien como para ser considerado una de las herramientas imprescindibles para la obtención de un perforado de precisión y calidad. 7.3.1.- Proceso de perforado por láser Dependiendo del material, el perforado con láser se consigue por vaporización, fusión, o por una combinación de ambos fenómenos físicos. Así, en los metales se produce eliminación del material en estado líquido y vapor, formándose pequeñas gotas de metal que deben expulsarse del agujero. Esto ocurre gracias a la simultánea formación de vapor que al extenderse crea un aumento de presión que empuja al metal fundido, pero suele ayudarse por el empleo de un flujo coaxial de gas de aportación que lo impele a través del orificio de salida. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 136 Figura 75 Una fracción del material resolidifica formando una fina capa que recubre el interior de las paredes del agujero, conociéndose por el nombre de refundido. Dicha capa suele ser de unas milésimas de espesor, dependiendo en cualquier caso del material, del número de pulsos, su longitud y energía, así como de los parámetros concernientes al gas de aportación. La proporción de líquido obtenida frente a la de vapor depende de la duración del pulso. Cuanto mayor es la amplitud del pulso mayor es la fracción líquida formada, con lo que aumenta la eficacia, pero presenta al mismo tiempo el inconveniente de causar un incremento en el espesor de refundido. - Técnicas de perforado La obtención de agujeros por láser puede realizarse por dos métodos diferentes:  Perforado centrado o por percusión  Perforado en círculo o trepanado El perforado centrado presenta dos variantes: utilización de un único pulso por agujero, sistema válido en el procesado de materiales de poco espesor (microtaladros) o empleo de multipulsos, que constituye el método de percusión propiamente dicho, para materiales de mayor espesor. En éste tanto la pieza como el haz láser permanecen estacionarios durante el proceso. La perforación tiene lugar por una serie de pulsos que inciden sobre el sustrato hasta conseguir la total vaporización o fusión del material. El tamaño del agujero está directamente relacionado con el diámetro del haz focalizado, que en aproximación se corresponde con el producto obtenido al multiplicar el valor de la divergencia (expresado en miliradianes) por la longitud focal de la lente empleada, según la ecuación: donde: d0 = diámetro del haz focalizado Ɵ = ángulo sólido de divergencia f = longitud focal de la lente Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 143 los procesos convencionales, como agujas o llamas, empleando láser de CO2 con altas intensidades de impulsos para perforar todas las capas del material de embalaje. El borde microfundido de cada agujero evita las microfisuras que podrían dañar la integridad del embalaje. Dependiendo del volumen de producción y de la tarea correspondiente, se ofrecen sistemas con divisores de haz y hasta cuatro vías de focalización para la perforación del film, u óptica de espejos poligonales que proporcionan hasta 16 líneas de perforación y que pueden soportar velocidades de film muy altas. Se puede lograr una gestión de temperatura óptima a través de orificios que varían de 60 a 300μm en diámetro, dispuestos en patrones o grupos regulares e incluso sincronizados con la impresión en el embalaje. Las distancias entre los orificios pueden ajustarse de 4 a 500mm incluso dentro de la misma línea. La perforación también es adecuada para la función de intercambio de presión, como en embalajes de alimentos para microondas. Mediante materiales de embalaje sólidos como combinaciones de PE/PE, la perforación por láser puede crear incluso líneas de perforación de 5 a 50 orificios/cm para aplicaciones de rasgado fácil. Figura 79. Embalajes tratados con láser.  Seguridad en los documentos: El consejo de la UE de seguridad en los documentos destaca la utilización del láser para asegurar la seguridad. En el glosario creado por la UE sobre la seguridad se desarrollan varios puntos que utilizando el perforado láser aseguran esta seguridad en documentos de identidad: - Perforado del número de serie: El número de serie del documento de identidad se perfora en el material de soporte, lo que produce unas marcas características:  Marcas de quemado alrededor de los bordes de los agujeros Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 144  La parte posterior de los bordes de los agujeros en el material de soporte (papel) no aparece levantada  El tamaño de los agujeros perforados en el cuadernillo va decreciendo de forma cónica cuando se observa de delante hacia atrás. Figura 80. Número de serie perforado por láser. - Estructuras y dibujos finos perforados por láser (inclusiones de seguridad) Figura 81. Detalle pasaporte Países Bajos - Fotografía secundaria (fantasma) perforada por láser Perforación que configura una fotografía secundaria del titular del documento visible bajo luz transmitida. Ejemplos: ImagePerf®, pasaportes de los Países Bajos y de Bélgica. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 145 - Efecto de inclinación. Cada una de las letras de la imagen TLI ® (Tilted Laser Image, imagen láser inclinada) se perfora con un ángulo distinto. La imagen que se observa bajo luz transmitida varía en función del ángulo de visión. Figura 82.  Perforado del papel de cigarrillos El papel de cigarrillos se perfora principalmente para reducir el contenido de alquitrán y nicotina de los cigarrillos light en todo el mundo. La perforación láser asegura el cumplimiento de los umbrales solicitados.  Orificios de enfriamiento en piezas aeroespaciales Los componentes de motores de turbinas requieren muchos orificios de enfriamiento de formas variadas. Estos se obtienen fácilmente teniendo en cuenta la flexibilidad y el "mecanizado suave", características de un sistema de mecanizado láser multi-axial. Los orificios pueden ser producidos en un amplio rango de formas (incluso formas distintas a las circulares son producidas fácilmente), profundidades y ángulos. Aunque esta clase de orificios pueden ser realizados a través de electroerosionado, es necesario mecanizar y monitorear un electrodo con la forma del agujero para retirar material. El mecanizado por láser evita los costos causados por el mantenimiento de la máquina y de la herramienta en el proceso de electroerosinado. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 146 Además, el mecanizado por láser es considerablemente más rápido que el EDM y las velocidades del láser son medidas en orificios por minuto y no en minutos por orificio, como en el caso del electroerosionado. 7.3.4.- Comparación con otros métodos de perforado El perforado por láser es una solución alternativa a otros procesos mecánicos de perforado que ofrece en muchos casos ventajas significativas: rapidez en el taladrado de agujeros, excelentes calidades geométricas y metalúrgicas, junto con una disminución de los costes de producción, han demostrado la flexibilidad y potencial de esta técnica. En alguna aplicación concreta se presenta como la única alternativa posible de mecanizado, como es el caso del corte y perforado de sustratos cerámicos para electrónica donde otros métodos fracasaban al intentar obtener agujeros pequeños en láminas de poco espesor, produciéndose microfracturas y fisuras en las piezas mecanizadas. Sin embargo, algunos materiales como oro, plata o cobre son difícilmente mecanizables por láser debido a la alta reflectividad y conductividad térmica que presentan. En el caso de materiales no metálicos, como algunos plásticos de bajo punto de fusión, pueden disminuir la calidad del taladro debido al elevado porcentaje de fundido respecto al vaporizado, agrandando el diámetro del agujero o formando gotas de difícil eliminación. Desde el punto de vista energético el perforado por láser es un proceso costoso debido al hecho de que el material debe ser fundido y posteriormente vaporizado. Cabe destacar también que el vapor generado resulta extremadamente propenso a la ionización por el haz láser, siendo la energía de ionización unas 100 veces mayor que la asociada a la fusión. El vapor ionizado se combinan con los gases de alrededor formando una zona de plasma, es decir, de gas ionizado. Este tiende a absorber y al mismo tiempo a reflejar el haz láser, impidiéndole alcanzar la superficie a mecanizar. Este efecto puede minimizarse con el empleo del láser en modo pulsado, alcanzado altas densidades de energía y con la ayuda de gas de aporte que creará una atmósfera inerte no ionizable tan fácilmente. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 147 Los principales competidores del perforado por láser son el perforado mecánico y el perforado por descarga eléctrica (E.D.M.), aunque se utilizan también con cierta frecuencia los sistemas de haz de electrones o el mecanizado electroquímico (E.C.M.). Mientras el perforado por métodos mecánicos compite con ventaja en el bajo coste de inversión del equipo, presenta el inconveniente del coste de mantenimiento generado por el desgaste y rotura de brocas. El láser una vez realizada la inversión inicial, resulta competitivo ya que los costes por consumibles son mínimos. Los taladros son de calidad superior y sin rebabas pero vienen limitados por el espesor máximo de la plancha a perforar. Comparando con sistema E.D.M. la principal ventaja del equipo láser es su alta flexibilidad y el menor coste por operación. El perforado por descarga eléctrica necesita el empleo de electrodos. La velocidad global del proceso es lenta, aunque la calidad de los agujeros obtenidos es superior y no presenta forma cónica. LÁSER PERFORADO MECÁNICO E.D.M. Ventajas -Sin uso de herramienta. -Tamaño pequeño del agujero. -No existen rebabas -Velocidad. -Bajo coste de operación. -Flexibilidad. -Proceso de la mayoría de metales. -Perfora superficies curvadas. -Agujeros profundos. -Agujeros rectos. -Bajo coste del equipo. -Calidad de superficie. -Bajo coste del equipo. -Tamaño de agujero constante. -Pequeña zona de afectación térmica. -Calidad del agujero. -Agujero no cónico. Desventajas -Agujero cónico. -Poco espesor. -Alto coste del equipo. -Zona de afectación térmica. -Menor calidad del agujero. -Tamaño mayor del agujero. -Desgaste de herramienta. -Rebaba. -Baja velocidad del proceso. -Utilización de electrodos. -Poca flexibilidad. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 148 7.4.- Marcaje de materiales. El marcaje por láser empezó en los años sesenta, con el desarrollo del procesado de materiales por láser, como una más de las distintas posibilidades de aquella nueva tecnología. Desde entonces este sistema de marcaje se ha ido desarrollando durante estos cincuenta años, creciendo en importancia hasta configurar un sector independiente en la industria. Este proceso de marcaje por láser compite con otras muchas tecnologías alternativas de marcado, erigiéndose como el preferido y, en ocasiones, como el único sistema de marcaje utilizable en determinada aplicaciones. De este modo ha ido aumentando considerablemente su incorporación en la industria. A pesar de que su precio es más elevado en venta que el de los tradicionales métodos, el bajo coste que representa su mantenimiento y el de sus consumibles hace rentable su inversión en un corto plazo. 7.4.1.- Proceso de marcaje por láser La definición del marcaje por láser cae en algún lugar entre la imprenta y el procesado de materiales. A pesar de que estos sistemas láser pueden emplearse para generar líneas de texto sobre papel u otro tipo de sustrato imprimible, no pueden competir con la alta velocidad que adquieren otros sistemas más sofisticados como, por ejemplo, las impresoras láser. Por otro lado, pueden ser utilizados también en otras aplicaciones industriales, como corte o perforado, aunque es recomendable el empleo de otros sistemas láser ya optimizados para ello. Los sistemas de marcaje láser permiten marcar mensajes de corta o media longitud o imágenes directamente en productos ya terminados. Estas marcas son típicamente permanentes, aplicadas sin contacto directo con la pieza, sin utilizar herramientas, no requieren ningún otro tipo de proceso posterior de fijado y no introducen ningún material adicional. Cualquiera de estas características, además de la alta velocidad y flexibilidad, pueden ser suficientes como para seleccionar este sistema frente a los otros. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 149 Por medio de elementos ópticos convencionales, tales como espejos y lentes, se puede dirigir el haz láser sobre la superficie del sustrato de un modo coordinado, para producir la marca deseada. El efecto del haz sobre dicho material puede ser de tres tipos: fusión, vaporización o reacción fotoquímica. Cada uno de estos efectos puede conseguir una marca permanente con contraste visible y fácilmente interpretable. En el proceso de marcaje por fusión se eleva la temperatura de la superficie del material justo hasta al punto de fusión. Después de un ligero desplazamiento de la zona fundida el material resolidifica produciendo una zona ondulada. El contraste visual viene proporcionado por la diferencia de reflexión de la luz entre la zona ondulada y la lisa, originando zonas de sombra. La principal ventaja de esta técnica reside en que no hay eliminación de material ni genera desperdicios, y en la mínima afectación térmica generada en el material La vaporización produce contraste visual por eliminación de material de la superficie, haciendo visible el de la capa inmediatamente inferior o alternándolo. El contraste es el resultado de diferencias de color, reflectancia o textura o producción de sombras. El oscurecimiento por carbonización es también un efecto usual para muchos materiales, por ejemplo, cuando se trabajo con corcho el haz produce la combustión superficial en los puntos de incidencia, haciendo visible el marcado por contraste. Figura 83. Tapón de corcho para una botella de vino marcado por láser. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 150 La exposición a la luz láser puede generar también efectos fotoquímicos, especialmente en plásticos y otros materiales orgánicos. Así, las altas temperaturas generadas por la absorción de la radiación por el material pueden causar el cambio de color de pigmentos de fase del material, sumándose a los efectos mecánicos. El tipo de efecto es función del material a tratar, del tipo de láser utilizado y de la técnica de marcaje o tipo de marca seleccionado. - Sistemas de marcaje La obtención de marcas por sistemas láser se consigue de dos modos diferentes: por máscara y por haz focalizado. El sistema de máscara es similar a la de un proyector de diapositivas. Una fuente intensa de luz, en esta caso el láser, ilumina una platilla metálica, la cual es proyectada con una lente sobre la superficie que va a ser marcada. La máscara es iluminada por un pulso de elevada intensidad, en el que el diámetro del haz láser es lo suficientemente ancho para cubrir todo el área de la máscara. Para cubrir áreas mayores o mensajes largos se necesita una sucesión de pulsos, cubriendo cada uno de ellos una porción de la plantilla. Es necesario que la plantilla no esté en contacto con la superficie a marcar. Esto permite trabajar a distancias de hasta treinta centímetros entre la fuente de haz láser y la superficie. La principal ventaja de este sistema de trabajo es que pueden realizarse fácilmente marcas sobre superficies en movimiento, ya que el pulso necesario para la impresión tiene una duración inferior a un microsegundo. Esto permite alcanzar altas velocidades de proceso sin que se observe ningún tipo de distorsión en la producción de la imagen. Empleando el sistema de haz focalizado las marcas se obtienen por desplazamiento de dicho haz sobre la pieza. Esto puede conseguirse trazando perfiles o contornos directamente o bien realizando un barrido de líneas superpuestas hasta configurar la totalidad de la imagen. Cada carácter suele estar formado por una serie de pulsos relativamente numerosa. El sistema mecánico empleado para mover el haz puede ser cualquier conjunto mecánico óptico incorporado a unos ejes de coordenadas X-Y, gobernado por control Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 151 numérico, o bien, por medio de espejos controlados galvanométricamente, como en el caso de un scanner. Figura 84. Marcaje por láser con una máscara En resumen, el marcaje por máscara es perfecto para altas velocidades de producción, mientras que en las aplicaciones que requieren una flexibilidad en la producción y una alta calidad de imagen, el marcaje a través de los espejos galvánicos es la técnica preferida. Estudio sobre las aplicaciones industriales del láser Javier Esténoz Valenzuela 152 Figura 85. Marcaje por láser con espejos galvánicos. - Marcaje de materiales metálicos Dependiendo de las exigencias existen tres tipos diferentes de marcaje de metales por láser.  El proceso de marcado láser por recocido se utiliza con todos los metales que muestran un cambio de color cuando se expone al calor y al oxígeno. El láser calienta selectivamente pequeñas partes de la superficie de la pieza hasta que aparecen los colores de recocido. El recocido deja la superficie del material en muy buen estado, produciendo aún un alto contraste, haciendo claramente legibles las marcas. Figura 86.  Grabado láser: Por lo general, el marcador láser graba la superficie del material hasta unas 10 micras de profundidad. Estas marcas son excepcionalmente duraderas y sólo puede ser borradas mediante un proceso de pulido. Por lo tanto el grabado láser se utiliza productos a prueba de falsificación.  La ablación selectiva de capas o capas de anodizado muestra un material de diferente color por debajo y produce las marcas de color - Marcaje de plásticos El marcaje por láser no implica ningún contacto directo con el plástico que no sea a través del haz de láser. Es la manera más flexible de marcar los plásticos y produce imágenes legibles, nítidas e indelebles. Los láseres pueden marcar productos