SCHOTT solutions n° 2/2014 > Vidrio Láser

Vidrio Láser
El vidrio láser está adquiriendo una importancia creciente como amplificador para el resonador y para aplicaciones de potencia ultraalta. SCHOTT ofrece una amplia gama de vidrios láser con las aplicaciones más variadas. Foto: SCHOTT/J. Stevens

Un material con gran futuro


SCHOTT se cuenta entre los principales proveedores mundiales de vidrio láser para la industria, las universidades y las instituciones públicas. La estrecha colaboración con los clientes y una labor de I+D intensiva, seguirán generando en el futuro expectativas prometedoras para el vidrio láser como medio.


Dr. Gregory Flinn

Ya a principios de los 60, poco después del descubrimiento del láser, Elias Snitzer, pionero investigador del vidrio láser (American Optical Company, ver detalles), señaló que determinadas combinaciones de vidrio y metales de tierras raras, como neodimio, erbio e iterbio, representan un material excepcional para la generación de luz láser, debido a los amplios perfiles de absorción y emisión espectral de los vidrios dopados, que permiten un bombeo eficiente con el uso de lámparas de descarga de banda ancha. Además, la elevada solubilidad de las sustancias dopantes en el vidrio y las grandes secciones efectivas durante la emisión, favorecen el cumplimiento de las exigencias impuestas a un material para el régimen láser pulsado. El vidrio presenta una gran adaptabilidad a nivel de composición química y, con ello, de sus propiedades espectrales y físicas para cada aplicación. ”Todo ello ha alimentado un interés creciente por el vidrio láser, ya sea como amplificador para el resonador o para aplicaciones de potencia ultraalta”, comenta la Dra. Simi George, experta de SCHOTT Research & Development (R & D) en Norteamérica.
La producción de vidrio láser
Foto: SCHOTT/J. Stevens

Un know how de muchos años


Tras más de 40 años de investigación, SCHOTT es hoy en día una referencia en vidrio láser. Los vidrios dopados con neodimio, como los empleados para los sistemas amplificadores de láser, son las estrellas dentro de la gama de productos de vidrio láser de la Unidad de Negocio SCHOTT Advanced Optics. Actualmente hay tres tipos principales de vidrios láser de base fosfato apropiados para láseres de alta potencia, alta energía y pulsos ultracortos. Entre los más novedosos están los vidrios láser ‘seguros para la vista’, con longitudes de onda de aprox. 1,5 µm, adecuados para aplicaciones médicas y cosméticas, así como para la medición de distancias. Además, SCHOTT ofrece una variante de base silicato para láseres pulsados de estado sólido con altas tasas de repetición, así como vidrios con base tanto fosfato como silicato, para la fabricación de estructuras activas en aplicaciones ópticas integradas.
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El Premio Otto Schott a la Investigación, concedido a pioneros del vidrio láser

Lawrence Livermore National Laboratory
Como partner en el desarrollo de componentes de vidrio láser, SCHOTT Advanced Optics participa en grandes proyectos, por ejemplo, para el Lawrence Livermore National Laboratory (izquierda) o en el diseño de láseres de petavatios a nivel europeo (derecho). Foto izquierda: SCHOTT/National Energetics, Foto derecho: SCHOTT/ LNLL | National Energetics
Aparte de Maguncia, SCHOTT Advanced Optics fabrica la mayoría de sus vidrios láser en Duryea, Pennsylvania (EE.UU.), donde también se encuenta el Centro de I+D para estos productos. Prestigiosos expertos en vidrio investigan en Duryea. El Dr. Hayden, experto en vidrios láser de fama internacional, se incorporó en 1985 a SCHOTT, donde su labor científica acerca de las alteraciones de la composición del vidrio y la identificación de métodos de postprocesado, ha resultado decisiva para ampliar el campo de aplicaciones de los vidrios láser. Actualmente trabaja como Research Fellow en Duryea. En julio de 2014 le fue concedido por la American Ceramic Society (ACers) el Stookey Award en reconocimiento a sus contribuciones en el campo del vidrio y las vitrocerámicas. En el acto de entrega del premio, Hayden rindió homenaje ”a los muchos científicos, ingenieros y técnicos que han contribuido al progreso en este campo” y destacó el continuo apoyo técnico y financiero de John H. Campbell y de otros investigadores del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL).

”Gracias a los grandes proyectos con láser en todo el mundo, se ha dado el impulso necesario al desarrollo de materiales de vidrio láser”, señala la Dra. Simi George, experta en vidrio láser. SCHOTT participa en muchos de ellos como colaborador responsable del desarrollo de los componentes de vidrio láser, p. ej. para el LLNL y el Commissariat à l'Énergie Atomique (CEA) francés. ”SCHOTT participa también en la planificación de proyectos que rebasan el nivel de los PW (petavatios),” añade George, ”pero aquí no sólo nos enfrentamos al reto de suministrar componentes más grandes y mejores. El vidrio láser ha de amplificar también la luz sobre un intervalo espectral más amplio, que cubra los pulsos extremadamente cortos que se dan. Vamos a tener que crear vidrios completamente nuevos.”
Laboratory SCHOTT Duryea, USA
Imagen del laboratorio de mediciones: sede de SCHOTT en Duryea, Pennsylvania, es el centro de desarrollo de vidrios láser y de sus posibilidades de fabricación. Foto: SCHOTT/ J. Stevens
Se ha concedido a un consorcio de empresas liderado por National Energetics, Inc., conjuntamente con Ekspla UAB, un contrato por más de 40 millones de dólares US para desarrollar e instalar cerca de Praga, un sistema láser de potencia ultraalta para el proyecto Extreme Light Infrastructure (ELI) de la Unión Europea, el cual generará energías de pulso de más de 1,5 kJ y pulsos de aprox. 150 fs de duración, con una tasa de repetición de 1/min. SCHOTT suministrará vidrio láser para los amplificadores láser de gran diámetro.

Hasta ahora, para el desarrollo de nuevos vidrios láser eran necesarias laboriosas pruebas de fusión. Ahora existen herramientas predictivas fiables, que aceleran la identificación de composiciones de vidrio adecuadas. Por una parte se ha estudiado la influencia de la composición del vidrio sobre las propiedades del láser, de forma que se pueden determinar rápidamente las propiedades del vidrio optimizadas para cada nuevo diseño. Por otra parte, se puede estimar la idoneidad de un vidrio láser nuevo o existente, para una aplicación determinada mediante la representación conjunta de las propiedades ópticas y termodinámicas del material, con un índice conocido como ‘Valor de mérito’. Finalmente se pueden utilizar herramientas estadísticas para restringir los límites composicionales del vidrio con un mínimo de ensayos. Esto, sumado a los avances en tecnología de fabricación, permite ofrecer ahora vidrios láser cuyo desarrollo hubiera resultado muy costoso, dadas las pequeñas cantidades precisadas.
Grosser Lasereffekt

Un efecto láser más intenso


Perspectivas de futuro del vidrio láser


Actualmente, aparte de los grandes proyectos, los impulsos al desarrollo proceden especialmente de la tecnología médica y cosmética, y de la industria de defensa. Para estas y otras aplicaciones existe una demanda creciente de láseres en formatos prácticos y fiables, también sistemas ligeros, portátiles y de fácil manejo, con longitudes de onda novedosas. Todo ello determina directamente las características y la potencia del medio amplificador. Al desarrollar nuevos vidrios láser no es imperativo reproducir exactamente los parámetros ópticos y de material requeridos. A menudo basta con determinar un perfil de prestaciones con ayuda de las herramientas citadas. Con este enfoque, ya es posible realizar materiales ópticos activos que p. ej. posibiliten las altas tasas de repetición, corrientes en muchos de los sistemas láser de pulsos ultracortos, de picosegundos y femtosegundos, cada vez más frecuentes en la industria. Un problema que se da al reducir progresivamente la duración de los pulsos en los sistemas láser es el fenómeno ”gain narrowing”, consistente en que, cuanto más corto es el pulso láser, más frecuencias adyacentes hay que amplificar en el láser. Suelen ser necesarios diferentes materiales láser para cubrir el ancho de banda requerido. SCHOTT estudia actualmente opciones para resolver esto, con un único medio amplificador. Dr. William James, Desarrollador de Materiales en SCHOTT R&D en Norteamérica: ”El vidrio es posiblemente el único material con la flexibilidad necesaria para conseguirlo, es decir, que permite variar la composición, las propiedades físicas y el proceso de fabricación de tal modo, que se pueda alcanzar el objetivo deseado.” <