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Tecnología

Una luz cristalina

Desarrollan un prototipo de láser compacto con una amplia gama de usos comerciales

Brasil podrá en poco tiempo más dar un salto tecnológico en la producción de láseres. La novedad está en un cristal utilizado en la generación del haz de luz desarrollado por investigadores del Instituto de Física de São Carlos (IFSC) de la Universidad de São Paulo (USP). Esta pieza es el corazón de los instrumentos de láser y podrá catapultar al país hacia la entrada al selecto grupo de naciones fabricantes de componentes empleados en aparatos compactos de alto interés comercial. Este tipo de equipo se utiliza en cirugías oftalmológicas, tratamientos dentales y otras aplicaciones médicas, tales como el retiro de huellas en las expresiones faciales y tatuajes. “Nuestras investigaciones abren espacio para la producción nacional de láseres compactos”, afirma el físico Luiz Antônio de Oliveira Nunes, coordinador del Laboratorio de Láseres y Aplicaciones (LLA) del IFSC.

Para hacerse una idea acerca de la importancia de la investigación realizada en São Carlos, es necesario entender que un láser -palabra formada por el acrónimo en inglés de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, o amplificación de luz por emisión estimulada de radiación- está constituido por un medio activo (en este caso un cristal, pero puede ser un gas o un líquido) adaptado a una cavidad óptica (el espacio existente entre dos espejos, donde la luz se confina y pasa varias veces por el cristal) donde se produce la generación de luz.

Para ello es necesario que el medio activo reciba una energía de una fuente externa, como puede ser una lámpara de flash u otro láser (de diodo, que es menor y más barato). Cuanto mayor es la capacidad de absorción y conversión de la energía luminosa de la fuente externa de luz láser, más eficiente es el medio activo. En el caso del láser desarrollado por los científicos de la USP, el cristal es una fibra monocristalina. Esto significa que ésta no es un agregado de pequeños cristales como en el caso de las cerámicas, por ejemplo. Se trata de un solo grano crecido en tres dimensiones. Para obtener el cristal, los investigadores emplearon compuestos químicos con óxidos de los minerales itrio, neodimio y vanadio que reaccionan entre sí y componen la fórmula YVO4:Nd3+.

“La fibra monocristalina con formato de cilindro y que mide aproximadamente de 0,5 milímetro de diámetro y 1 milímetro de longitud puede sustituir a los llamados cristales bulk -piezas mayores obtenidas mediante técnicas de crecimiento de cristales sofisticadas y de alto costo- utilizados normalmente para la producción de aparatos de láser compactos”, explica la química Andrea Simone Stucchi de Camargo, del equipo de investigadores. Ambos materiales, la fibra y el cristal bulk, tienen propiedades ópticas, físicas y mecánicas idénticas: difieren únicamente en el tamaño.

“Nuestro trabajo consistió en el estudio de las características ópticas y de comportamiento de los iones activos en esa fibra para optimizar los procesos de absorción y de emisión de luz”, comenta Andrea. El láser con la fibra emite un haz de luz en la región del infrarrojo, con una longitud de onda de 1.064 nanómetros (nm), que corresponde a una frecuencia invisible. Adaptado a otro tipo de cristal, este láser duplica la frecuencia a 532 nm, y presenta luminosidad verde.

Cooperación fundamental
La fibra en su formato bruto fue desarrollada por el Grupo de Crecimiento de Cristales del mismo IFSC, bajo la supervisión del físico José Pedro Andreeta. “Nosotros preparamos el material, pero no sabíamos cómo medir todas sus propiedades. El trabajo cooperativo con el Laboratorio de Láseres y Aplicaciones fue fundamental para el éxito del trabajo”, afirma Andreeta. Las informaciones que intercambiaron los investigadores permitieron perfeccionar la fibra y hacer que se volviese tan eficiente como un cristal bulk comercial.

“Tardamos cuatro años para obtener un buen resultado.”Al margen de su menor tamaño, una de las ventajas de la fibra monocristalina en comparación con los cristales bulk consiste en que su producción es mucho más rápida y más barata. Las fibras están listas en minutos o en horas, en tanto que el bulk tarda días o semanas para alcanzar su tamaño ideal. Para su obtención los investigadores recurrieron a un proceso denominado Crecimiento Pedestal por Calentamiento de Láser, conocido en inglés como Laser Heated Pedestal Growth Technique (LHPG).

“Esta técnica era conocida desde hace algunos años, pero nadie había logrado desarrollar una fibra como la nuestra con las características ideales del cristal bulk“, comenta Andrea. “Este cristal es muy difícil de obtener porque durante el crecimiento frecuentemente aparecen defectos estructurales”. El proceso LHPG tarda alrededor de 40 ó 50 minutos para hacer crecer una fibra de aproximadamente 3 cm. “Desarrollamos el equipo para el crecimiento de la fibra con recursos de la FAPESP. Lo que puedo decir es que tiene mejores resultados que los existentes en muchos otros países”, afirma el físico José Andreeta.

El carácter inédito de la investigación redundó en la difusión de artículos en publicaciones científicas internacionales, como es el caso de la revista Optics Letters, en enero de este año. En febrero, el trabajo también fue objeto de un reportaje publicado en la revista estadounidense Photonics Spectra, especializada en el área comercial de láseres. Pero la mayor prueba del éxito de este trabajo, de acuerdo con los investigadores, fue la presentación de los resultados en la Conference on Lasers and Electro Optics (Cleo2003) realizada en la ciudad de Baltimore, Estados Unidos, en junio del año pasado.

“Mi presentación despertó un gran interés, tanto es así que el investigador estadounidense Steve Payne, uno de los más reputados del área, me invitó a repetir la presentación en los Lawrence Livermore National Laboratories, un centro de investigaciones sobre temas de seguridad nacional con sede en el estado de California”, comenta Andrea.Pese al éxito y a la viabilidad comercial del equipamiento -que aún requerirá nuevos desarrollos antes de salir al mercado-, el grupo todavía no ha solicitado la patente del dispositivo ni la de la fibra monocristalina. Así y todo, ha entablado conversaciones con empresarios interesados en industrializar y vender la novedad.

El próximo reto de los científicos del Laboratorio de Láseres y Aplicaciones consistirá en el estudio de una cerámica transparente compuesta de titanato de plomo, lantanio y zirconio, llamada PLZT, que se usará como medio activo para la generación de láser. Esa cerámica es conocida desde los años 1960 por sus propiedades eléctricas, pero hasta hace poco tiempo no existía una preocupación en estudiar sus propiedades ópticas. El interés en este nuevo material radica en que, una vez dominado el proceso de su fabricación, será más barata y más rápida su elaboración que la de los cristales. Asimismo, no habrá limitaciones de tamaño -ni los cristales bulk ni las fibras monocristalinas pueden crecer en proporciones muy grandes, al contrario que la cerámica, que puede en principio fabricarse en cualquier dimensión.

Los proyectos

Crecimiento y Evaluación de las Propiedades Físicas de Fibras Monocristalinas Preparadas en Atmósferas Controladas
Modalidad
Línea Regular de Auxilio a la Investigación
Coordinador
José Pedro Andreeta – IFSC/ USP
Inversión
R$ 47.967,60 y US$ 59.919,00

Espectroscopia Óptica de Fibras Monocristalinas
Modalidad
Línea Regular de Auxilio a la Investigación
Coordinador
Luiz Antonio de Oliveira Nunes – IFSC/USP
Inversión
R$ 36.327,56 y US$ 67.250,00

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