El funcionamiento pulsado de los láseres se refiere a cualquier láser que no esté clasificado como de onda continua , de modo que la potencia óptica aparece en pulsos de cierta duración a una cierta frecuencia de repetición . [1] Esto abarca una amplia gama de tecnologías que abordan una serie de motivaciones diferentes. Algunos láseres son pulsados simplemente porque no se pueden ejecutar en modo continuo.
En otros casos, la aplicación requiere la producción de pulsos con la mayor energía posible. Dado que la energía del pulso es igual a la potencia media dividida por la frecuencia de repetición, este objetivo a veces se puede satisfacer reduciendo la frecuencia de los pulsos para que se pueda acumular más energía entre pulsos. En la ablación láser , por ejemplo, un pequeño volumen de material en la superficie de una pieza de trabajo se puede evaporar si se calienta en un tiempo muy corto, mientras que si se suministra la energía gradualmente, el calor se absorbería en la mayor parte de la pieza, sin alcanzar nunca una temperatura suficientemente alta en un punto determinado.
Otras aplicaciones dependen de la potencia pico del pulso (en lugar de la energía del pulso), especialmente para obtener efectos ópticos no lineales . Para una energía de pulso dada, esto requiere crear pulsos de la duración más corta posible utilizando técnicas como Q-switching .
El ancho de banda óptico de un pulso no puede ser menor que el recíproco del ancho del pulso. En el caso de pulsos extremadamente cortos, esto implica la emisión de láser en un ancho de banda considerable, al contrario de los anchos de banda muy estrechos típicos de los láseres de onda continua (CW). El medio de emisión de láser en algunos láseres de colorante y láseres de estado sólido vibrónicos produce una ganancia óptica en un ancho de banda amplio, lo que hace posible un láser que puede generar pulsos de luz tan cortos como unos pocos femtosegundos .
En un láser conmutado por Q, se permite que la inversión de población se acumule introduciendo una pérdida dentro del resonador que excede la ganancia del medio; esto también se puede describir como una reducción del factor de calidad o "Q" de la cavidad. Luego, una vez que la energía de bombeo almacenada en el medio láser se ha acercado al nivel máximo posible, el mecanismo de pérdida introducido (a menudo un elemento electroóptico o acústico) se elimina rápidamente (o eso ocurre por sí solo en un dispositivo pasivo), lo que permite que comience la acción del láser, que obtiene rápidamente la energía almacenada en el medio de ganancia. Esto da como resultado un pulso corto que incorpora esa energía y, por lo tanto, una alta potencia de pico.
Un láser bloqueado por modo es capaz de emitir pulsos extremadamente cortos del orden de decenas de picosegundos hasta menos de 10 femtosegundos . Estos pulsos se repetirán en el tiempo de ida y vuelta, es decir, el tiempo que tarda la luz en completar un viaje de ida y vuelta entre los espejos que componen el resonador. Debido al límite de Fourier (también conocido como incertidumbre de energía-tiempo ), un pulso de una longitud temporal tan corta tiene un espectro distribuido en un ancho de banda considerable. Por lo tanto, un medio de ganancia de este tipo debe tener un ancho de banda de ganancia lo suficientemente amplio como para amplificar esas frecuencias. Un ejemplo de un material adecuado es el zafiro artificial dopado con titanio ( Ti:zafiro ), que tiene un ancho de banda de ganancia muy amplio y, por lo tanto, puede producir pulsos de solo unos pocos femtosegundos de duración.
Estos láseres de modo bloqueado son una herramienta muy versátil para investigar procesos que ocurren en escalas de tiempo extremadamente cortas (conocidos como física de femtosegundos, química de femtosegundos y ciencia ultrarrápida ), para maximizar el efecto de la no linealidad en materiales ópticos (por ejemplo, en generación de segundo armónico , conversión descendente paramétrica , osciladores paramétricos ópticos y similares) debido a la gran potencia de pico, y en aplicaciones de ablación. [2] Nuevamente, debido a la duración de pulso extremadamente corta, un láser de este tipo producirá pulsos que alcanzan una potencia de pico extremadamente alta.
Otro método para lograr el funcionamiento del láser pulsado es bombear el material láser con una fuente que sea a su vez pulsada, ya sea a través de carga electrónica en el caso de lámparas de destellos, u otro láser que ya sea pulsado. El bombeo pulsado se utilizó históricamente con láseres de colorante donde la vida útil de población invertida de una molécula de colorante era tan corta que se necesitaba un bombeo rápido de alta energía. La forma de superar este problema era cargar grandes condensadores que luego se conmutan para que se descarguen a través de lámparas de destellos , lo que produce un destello intenso. El bombeo pulsado también es necesario para láseres de tres niveles en los que el nivel de energía más bajo se llena rápidamente, lo que impide que se produzcan más láseres hasta que esos átomos se relajan al estado fundamental. Estos láseres, como el láser excimer y el láser de vapor de cobre, nunca pueden funcionar en modo CW.
Los láseres pulsados Nd:YAG y Er:YAG se utilizan en la eliminación de tatuajes con láser y en telémetros láser , entre otras aplicaciones.
Los láseres pulsados también se utilizan en la cirugía de tejidos blandos . Cuando un haz láser entra en contacto con un tejido blando, un factor importante es no sobrecalentar el tejido circundante, de modo que se pueda prevenir la necrosis . [3] Los pulsos láser deben espaciarse para permitir un enfriamiento eficiente del tejido (tiempo de relajación térmica) entre pulsos. [3]