Varios cristales láser de óxido con diferentes dopantes activos (elementos de tierra rara y metales de transición). Crédito: Fraunhofer-Gesellschaft
La dependencia de Alemania de estas materias primas críticas se hizo evidente una vez más después de la disputa aduanera en abril, cuando China restringió las exportaciones de elementos de tierras raras y otros elementos a los Estados Unidos y, en consecuencia, a Europa.
La industria láser, junto con otras compañías de alta tecnología y defensa, también siente los efectos de la escasez de suministro. Esto se debe a que los elementos son necesarios para los cristales láser y las fibras láser activas como un medio de amplificación para generar radiación láser, entre otras cosas. Los materiales que valen unos pocos cientos de euros determinan la fabricación de sistemas por valor de cientos de miles de euros.
“Garantizar la disponibilidad de cristales y fibras láser adecuados y tener control sobre su procesamiento es vital no solo para la competitividad e independencia de las economías alemanas y europeas, sino también para nuestra seguridad”, dice Marc Eichhorn, director del Instituto Fraunhofer para Optronics, Tecnologías del Sistema y la explotación de imágenes IOSB en Ettingen y Oberkochen.
Allí, el Departamento de Tecnología de Laser, encabezado por Christelle Kieleck, realiza investigaciones sobre nuevas fuentes láser y cristales mejorados y más potentes, así como componentes de fibra óptica como base para el desarrollo adicional de los sistemas láser. Desde la simulación y el diseño de nuevos materiales hasta los manifestantes, el Instituto cubre toda la cadena de valor de la producción de láser.
Cultivo y procesamiento de cristales láser y no lineales
Los cristales láser son parte integral de cada láser. Amplifican la luz almacenando energía óptica a niveles de energía más altos y, dependiendo de su dopaje con ciertos elementos de tierra rara, la liberan como radiación láser en longitudes de onda definidas. Si no hay cristales láser disponibles para ciertas longitudes de onda, es posible una conversión utilizando materiales ópticos no lineales (NLO).
Debido a sus propiedades ópticas, estos materiales pueden convertir las longitudes de onda (y, por lo tanto, los colores) de un haz láser, a la mitad, triplicar o incluso mezclar varias longitudes de onda. Esto permite que la luz láser se modifique de manera controlada dentro de un rango definido, lo que permite una interacción más fuerte con materiales, detección de moléculas específicas y microscopía de mayor resolución.
Las aplicaciones que involucran radiación láser que pueden dañar los ojos, como las mediciones de distancia, pueden desplazarse a rangos inofensivos de longitud de onda usando NLO. Por lo tanto, estas fuentes permiten nuevas aplicaciones en tecnología médica, análisis ambiental y defensa.
Tanto para los cristales láser como para NLO, la calidad de los cristales disponibles a menudo ha sido un factor limitante. Después de todo, no todos los cristales son los mismos: “Además del dopaje, la calidad y la absorción óptica, así como la conductividad térmica y las propiedades de polarización de los cristales juegan un papel decisivo en su rendimiento”, dice Eichhorn.
Esto puede resultar en diferencias de temperatura dentro del cristal en niveles de rendimiento más altos, lo que afecta negativamente la eficiencia y la calidad del haz. Es por eso que cultivar y procesar cristales láser es realmente una ciencia en sí misma.
“Se requiere una gran experiencia. Muchos procesos no se pueden automatizar”, agrega Kieleck. “Los cristales crudos deben ser cortados, molidos, pulidos, recubiertos o microestructurados. Este método de procesamiento particular es crucial para garantizar la eficiencia y la resistencia. Es por eso que necesitamos mantener y expandir este conocimiento del proceso para que podamos continuar desarrollando la tecnología aún más”.
Los investigadores primero simulan la composición de los cristales variando gradualmente el grado de dopaje y las condiciones de crecimiento para mejorar sus propiedades. Luego se cultivan en hornos especiales y se examinan utilizando difracción de rayos X. Las altas presiones y los requisitos de seguridad plantean un desafío para el proceso de producción. En el laboratorio, los componentes ópticos se llevan a partir de los cristales, procesados más utilizando métodos específicos y pulidos.
Un objetivo es usar ciertos procesos para aumentar el umbral de daño, es decir, la robustez del cristal cuando se expone a la radiación láser. Para lograr esto, los investigadores de Fraunhofer IOSB han establecido un nuevo soporte de prueba que utiliza la última tecnología de medición para determinar los umbrales de daño óptico. Finalmente, las fuentes se prueban en los sistemas láser, que a su vez se optimizan de acuerdo con la calidad y la geometría de los cristales.
Investigación de fibra de vidrio para fibras ópticas personalizadas
Además de los cristales y los materiales NLO, los investigadores también están desarrollando fibras láser activas y nuevos componentes de fibra para aplicaciones específicas, desde el procesamiento de materiales hasta la cirugía láser. El enfoque aquí está en el espectro de onda corta e infrarrojo medio. Para generar radiación láser en láseres de fibra, en el que el núcleo dopado de una fibra de vidrio sirve como medio activo, los investigadores se centran en fibras de vidrio de cuarzo dopadas con tierra rara y fibras láser de fluoruro.
“En nuestra nueva ubicación en Oberkochen, produciremos fibras de alto rendimiento personalizadas y robustas para láseres con requisitos de bajo volumen, peso y energía internamente”, dice Kieleck.
Fraunhofer IOSB presentará sus cristales, óptica no lineal, tecnología de medición de umbral de daño y láseres de fibra en la feria de láser en Munich, Hall A2, Stand 415, del 24 al 27 de junio.
Proporcionado por Fraunhofer-Gesellschaft
Cita: los nuevos cristales y fibras láser tienen como objetivo reducir la dependencia de las importaciones de la tierra rara (2025, 2 de junio) Recuperado el 2 de junio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-06-laser-crystals-fibers-aim-reliance.html
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