El equipo de la UJI, con su sistema de láser en paralelo. Fuente: UJI.
Los láseres de femtosegundo, que operan con pulsos programados en espacios de tiempo extremadamente cortos (la milbillonésima parte de un segundo) permiten, desde los años 90, el tratamiento de materiales a nano- y microescala con alta precisión, pero su producción resulta lenta y costosa.
Investigadores del Grupo de Óptica (GROC) de la Universitat Jaume I de Castelló (UJI) han desarrollado una novedosa técnica de procesamiento en paralelo que permite multiplicar por cien la capacidad de producción de estos láseres, mejorando el rendimiento, reduciendo el tiempo y los costes de fabricación y optimizando el uso de la energía del láser.
La tecnología láser permite procesar materiales, es decir, modificar localmente sus propiedades con precisión micrométrica (una centésima parte del tamaño de un cabello) o incluso nanométrica. Es el caso, por ejemplo, de los microchips o de los estents que se implantan en el sistema arterial y que son fabricados utilizando tecnología láser, debido a los exigentes requerimientos de precisión para que funcionen correctamente.
La técnica de procesamiento en paralelo desarrollada por la UJI permite dividir el haz en una serie de haces múltiples a través de lo que se denomina un "módulo de dispersión compensada", y ha demostrado su efectividad para generar simultáneamente 52 agujeros ciegos de menos de 5 micras de diámetro sobre una muestra de acero inoxidable.
"Esta investigación demuestra que, sin perder calidad, podemos aumentar la velocidad de fabricación por un factor de 52, o incluso de 100, con el cambio de parámetros del sistema", explica la investigadora de GROC Gladys Mínguez-Vega en la nota de prensa de la UJI.
Jesús Lancis, director del GROC, destaca que el avance alcanzado "mejorará considerablemente las prestaciones de esta tecnología al permitir procesar el material simultáneamente en varias localizaciones y, además, sin pérdida de precisión. Ambos hechos son clave para incrementar la tasa de producción de la tecnología láser, abaratando de esta manera los costes de fabricación y permitiendo su introducción progresiva en diversos sectores que hasta ahora utilizan mecanismos de producción más tradicionales".
El láser
El programa Horizonte 2020, que recoge los principales desafíos a los que debe hacer frente la ciencia en Europa en los próximos años, destaca el papel clave que debe jugar la tecnología láser en la mejora de ciertos procesos de producción industrial, sobre todo en aquellos donde la calidad y el acabado de la pieza son fundamentales.
Procesar materiales con luz permite un alto grado de automatización y flexibilidad, así como la fabricación de componentes y productos de extraordinaria calidad y de una manera mucho más sostenible comparada con otras tecnologías de procesado.
La tecnología láser es una tecnología limpia en el sentido de que minimiza el número de residuos en los procesos de fabricación, pero no sólo en el manufacturado industrial: la fotónica también plantea avances en numerosos campos como la salud, la iluminación y la sostenibilidad. "Se dice que la fotónica permitirá modificar nuestra forma de vida en el siglo XXI tal y como lo consiguió la electrónica en el XX", señala Lancis, resaltando las potencialidades de esta ciencia.
Investigadores del Grupo de Óptica (GROC) de la Universitat Jaume I de Castelló (UJI) han desarrollado una novedosa técnica de procesamiento en paralelo que permite multiplicar por cien la capacidad de producción de estos láseres, mejorando el rendimiento, reduciendo el tiempo y los costes de fabricación y optimizando el uso de la energía del láser.
La tecnología láser permite procesar materiales, es decir, modificar localmente sus propiedades con precisión micrométrica (una centésima parte del tamaño de un cabello) o incluso nanométrica. Es el caso, por ejemplo, de los microchips o de los estents que se implantan en el sistema arterial y que son fabricados utilizando tecnología láser, debido a los exigentes requerimientos de precisión para que funcionen correctamente.
La técnica de procesamiento en paralelo desarrollada por la UJI permite dividir el haz en una serie de haces múltiples a través de lo que se denomina un "módulo de dispersión compensada", y ha demostrado su efectividad para generar simultáneamente 52 agujeros ciegos de menos de 5 micras de diámetro sobre una muestra de acero inoxidable.
"Esta investigación demuestra que, sin perder calidad, podemos aumentar la velocidad de fabricación por un factor de 52, o incluso de 100, con el cambio de parámetros del sistema", explica la investigadora de GROC Gladys Mínguez-Vega en la nota de prensa de la UJI.
Jesús Lancis, director del GROC, destaca que el avance alcanzado "mejorará considerablemente las prestaciones de esta tecnología al permitir procesar el material simultáneamente en varias localizaciones y, además, sin pérdida de precisión. Ambos hechos son clave para incrementar la tasa de producción de la tecnología láser, abaratando de esta manera los costes de fabricación y permitiendo su introducción progresiva en diversos sectores que hasta ahora utilizan mecanismos de producción más tradicionales".
El láser
El programa Horizonte 2020, que recoge los principales desafíos a los que debe hacer frente la ciencia en Europa en los próximos años, destaca el papel clave que debe jugar la tecnología láser en la mejora de ciertos procesos de producción industrial, sobre todo en aquellos donde la calidad y el acabado de la pieza son fundamentales.
Procesar materiales con luz permite un alto grado de automatización y flexibilidad, así como la fabricación de componentes y productos de extraordinaria calidad y de una manera mucho más sostenible comparada con otras tecnologías de procesado.
La tecnología láser es una tecnología limpia en el sentido de que minimiza el número de residuos en los procesos de fabricación, pero no sólo en el manufacturado industrial: la fotónica también plantea avances en numerosos campos como la salud, la iluminación y la sostenibilidad. "Se dice que la fotónica permitirá modificar nuestra forma de vida en el siglo XXI tal y como lo consiguió la electrónica en el XX", señala Lancis, resaltando las potencialidades de esta ciencia.
Infinidad de posibilidades
Le tecnología láser se desarrolló en los años 80 del pasado siglo, pero en sus orígenes se trataba de láseres de onda continua que no permitían trabajar con materiales a microescala ni alcanzar un elevado nivel de calidad. Fue a partir de los años 90 cuando apareció el láser pulsado de femtosegundo, permitiendo que se acumule la luz de forma que la carga energética que se dispara al liberarse el haz sea mucho más potente.
Esta tecnología ha permitido alcanzar una mayor precisión y calidad, según explica Mínguez-Vega: "Son los láseres que se están utilizando, por ejemplo, en algunas operaciones de cirugía para conseguir cortes menos invasivos, más localizados y precisos, o en el desarrollo de micromecanizados en todo tipos de materiales, incluidos los biodegradables. Al tratarse de tiempos de exposición tan breves y con una carga energética tan elevada, los láseres de femtosegundos evitan también que el calor se expanda más allá del punto al que se dirige, lo que permite incluso utilizarlos para cortar explosivos".
El hecho de que la energía esté tan concentrada provoca que se tenga incluso que atenuar. "Si la gastaras toda, depositarias tanta energía que acabarías causando un daño en el material. Para evitarlo se utilizan unos filtros que van eliminando luz hasta reducirla a la energía adecuada".
La matriz desarrollada por la UJI permite dividir el haz, multiplicando los puntos de luz a la vez que reduce la energía de cada uno de ellos. "Actualmente, para micromecanizar una pieza con un láser de femtosegundo se ha de mover el láser o el material para ir escaneándolo, de forma que la producción se ha de realizar punto a punto". La matriz desarrollada en el campus castellonense divide los haces manteniendo su efectividad, lo que permite micromecanizar a la vez decenas de piezas distintas.
La revista Optics & Photonics News, editada por la Optical Society of America, la sociedad de óptica más importante a escala internacional, dedicó la imagen de portada de su número de mayo al sistema desarrollado en la UJI. A través de un amplio reportaje sobre los últimos avances en láseres pulsados ultrarrápidos, recoge los avances alcanzados por el GROC de la UJI, publicados anteriormente en un artículo en Optics Express.
Le tecnología láser se desarrolló en los años 80 del pasado siglo, pero en sus orígenes se trataba de láseres de onda continua que no permitían trabajar con materiales a microescala ni alcanzar un elevado nivel de calidad. Fue a partir de los años 90 cuando apareció el láser pulsado de femtosegundo, permitiendo que se acumule la luz de forma que la carga energética que se dispara al liberarse el haz sea mucho más potente.
Esta tecnología ha permitido alcanzar una mayor precisión y calidad, según explica Mínguez-Vega: "Son los láseres que se están utilizando, por ejemplo, en algunas operaciones de cirugía para conseguir cortes menos invasivos, más localizados y precisos, o en el desarrollo de micromecanizados en todo tipos de materiales, incluidos los biodegradables. Al tratarse de tiempos de exposición tan breves y con una carga energética tan elevada, los láseres de femtosegundos evitan también que el calor se expanda más allá del punto al que se dirige, lo que permite incluso utilizarlos para cortar explosivos".
El hecho de que la energía esté tan concentrada provoca que se tenga incluso que atenuar. "Si la gastaras toda, depositarias tanta energía que acabarías causando un daño en el material. Para evitarlo se utilizan unos filtros que van eliminando luz hasta reducirla a la energía adecuada".
La matriz desarrollada por la UJI permite dividir el haz, multiplicando los puntos de luz a la vez que reduce la energía de cada uno de ellos. "Actualmente, para micromecanizar una pieza con un láser de femtosegundo se ha de mover el láser o el material para ir escaneándolo, de forma que la producción se ha de realizar punto a punto". La matriz desarrollada en el campus castellonense divide los haces manteniendo su efectividad, lo que permite micromecanizar a la vez decenas de piezas distintas.
La revista Optics & Photonics News, editada por la Optical Society of America, la sociedad de óptica más importante a escala internacional, dedicó la imagen de portada de su número de mayo al sistema desarrollado en la UJI. A través de un amplio reportaje sobre los últimos avances en láseres pulsados ultrarrápidos, recoge los avances alcanzados por el GROC de la UJI, publicados anteriormente en un artículo en Optics Express.
Referencias bibliográficas:
S. Torres-Peiró, J. González-Ausejo, O. Mendoza-Yero, G. Mínguez-Vega, P. Andrés y J. Lancis: Parallel laser micromachining based on diffractive optical elements with dispersion compensated femtosecond pulses. Optics Express (2013). http://dx.doi.org/10.1364/OE.21.031830
Valerie C. Coffey: Ultrafast and Ultrashort: Some Recent Advances in Pulsed Lasers. Optics & Photonics News (2014).
S. Torres-Peiró, J. González-Ausejo, O. Mendoza-Yero, G. Mínguez-Vega, P. Andrés y J. Lancis: Parallel laser micromachining based on diffractive optical elements with dispersion compensated femtosecond pulses. Optics Express (2013). http://dx.doi.org/10.1364/OE.21.031830
Valerie C. Coffey: Ultrafast and Ultrashort: Some Recent Advances in Pulsed Lasers. Optics & Photonics News (2014).