Tipos de láser: el zoo

Los artículos anteriores dieron la física: emisión estimulada, cavidad, rate equations, haces gaussianos. Ahora la pregunta práctica: ¿qué láseres existen y para qué sirve cada uno? La diversidad es enorme — desde láseres del tamaño de un grano de arena (VCSELs) hasta instalaciones que ocupan un edificio (láseres de electrones libres). Lo que los une es la misma física; lo que los separa es la ingeniería.

Láseres de gas

Los pioneros. El medio de ganancia es un gas a baja presión en un tubo de descarga eléctrica.

HeNe (helio-neón)

El HeNe fue el primer láser de gas (1961). El helio se excita por la descarga y transfiere energía al neón por colisiones — un sistema de cuatro niveles. Emite a 632,8 nm (rojo) con poca potencia (mW) y dos virtudes que conviene no meter en la misma frase, porque son independientes.

La primera es la calidad de haz, que es transversal y se mide con el factor M² del artículo 04: $M^2 \approx 1{,}0$, el gaussiano de libro. La segunda es la coherencia, que es longitudinal y no se mide con M² sino con el ancho de línea Δν, o con la longitud de coherencia $L_c = c/\Delta\nu$: un HeNe comercial multimodo tiene Δν ≈ 1,5 GHz de ensanchamiento Doppler, o sea $L_c \approx 20$ cm, y uno estabilizado en un solo modo baja a ~1 MHz y llega a $L_c \approx 300$ m. Que las dos vayan juntas en el HeNe es una casualidad afortunada, no una ley: el láser de fibra de Yb de la última sección de este artículo tiene $M^2 < 1{,}3$ y un ancho espectral de 3–5 nm —Δν ≈ 1 THz, $L_c$ de menos de medio milímetro—, calidad de haz de sobresaliente y coherencia de bombilla. Por tener las dos, el HeNe es el láser de laboratorio por excelencia: alineamiento (le basta la primera), holografía e interferometría (necesitan la segunda).

CO₂

El CO₂ emite a 10,6 μm (infrarrojo lejano), donde los metales y los tejidos biológicos absorben fuertemente. Eficiencia del ~20% — excepcional para un láser de gas. Potencias de kW. Es el caballo de batalla del corte y soldadura industrial.

Excímero

Los excímero (ArF a 193 nm, KrF a 248 nm) emiten en el UV profundo. Son láseres de pulsos — no funcionan en continuo. Una fuente de litografía entrega 10–15 mJ por pulso a 6 kHz, o sea 60–90 W de media a 193 nm, y ese chorro de fotones de 6,4 eV es el que ha dibujado casi todos los transistores del mundo. La cirugía LASIK usa el mismo láser por la razón contraria: a 193 nm el fotón rompe enlaces de la córnea sin calentarla.

Cuidado con la frase fácil. Durante veinte años fue cierto que cualquier detalle por debajo de 100 nm salía de un ArF. Dejó de serlo en 2019, cuando los primeros chips comerciales grabados con luz de 13,5 nm —EUV, ultravioleta extremo— salieron de las líneas de TSMC (N7+) y Samsung (7LPP). Quién graba qué, a fecha de 2026:

Las resoluciones de la tabla no son marketing: son el criterio de Rayleigh de siempre, $\text{HP}_{\min} = k_1\,\lambda/\text{NA}$. De las tres filas de la punta, que son las que publican su apertura numérica, sale $k_1 = 0{,}28$ (ArF de inmersión, NA 1,35), $0{,}32$ (EUV, NA 0,33) y $0{,}33$ (High-NA, NA 0,55): una sola constante, tres generaciones y tres máquinas distintas. Si la tabla fuesen anécdotas sueltas, esos tres números no coincidirían.

Las filas de arriba no comparten ese $k_1$, y ahí está media historia del sector: un stepper de línea i con NA 0,63 resolviendo 350 nm trabaja a $k_1 = 0{,}60$, y un KrF con NA 0,80 resolviendo 110 nm, a $0{,}35$. Bajar $k_1$ de 0,60 a 0,28 sin tocar la λ es un factor 2,1 de resolución que no vino de la fuente: vino de las máscaras de desfase, la iluminación fuera de eje y la corrección de proximidad. El suelo teórico es $k_1 = 0{,}25$ para una exposición única, y por debajo de ahí ya no hay óptica que valga — hay que exponer más de una vez.

Y la NA de 1,35 del ArF de inmersión no viola nada — $\text{NA} = n\sin\theta$, y el agua tiene $n = 1{,}44$ a 193 nm, así que 1,35 corresponde a un ángulo marginal de 69,6°.

Fíjate en lo poco que rinde el salto de longitud de onda. De 193 nm a 13,5 nm hay un factor 14,3, pero la resolución solo mejora 3,1 veces: la NA se desploma de 1,35 a 0,33 y se come el resto. A 13,5 nm no hay material transparente, así que no hay lentes ni líquido de inmersión — todo son espejos multicapa en vacío, y con esa óptica no se abre más ángulo. Subir a NA 0,55 ha costado veinte años y una máquina nueva.

Y el excímero no ha muerto: ha bajado de categoría. El N5 de TSMC lleva unas 81 máscaras, de las cuales 13 son EUV — el 84 % del recuento sigue siendo 193 nm o más largo. Lo que aportan esas 13 capas es evitar unas 35 de inmersión con multiple patterning: sin EUV el mismo nodo pediría 103 máscaras. Lo caro no es el ArF, es tener que exponer cuatro veces con él.

El remate tiene gracia para este artículo: lo que relevó al excímero en la punta no es otro excímero. La luz de 13,5 nm no sale de ningún medio de ganancia, sale de un plasma de estaño; y quien hace el plasma es el láser de CO₂ de dos secciones más arriba, disparando ~250 mJ sobre una gota de estaño 50 000 veces por segundo —12,5 kW de media a 10,6 μm— con un 5 % de conversión a 13,5 nm. El láser más antiguo de este artículo trabajando de martillo para el proceso más moderno de la industria.

Láseres de estado sólido

Un cristal o vidrio dopado con iones activos (tierras raras o metales de transición), bombeado ópticamente por una lámpara flash o un láser de diodo.

Nd:YAG

El Nd:YAG (neodimio en granate de itrio-aluminio) emite a 1064 nm. Sistema de cuatro niveles, umbral bajo, eficiente. Se bombea con diodos a 808 nm. Produce desde mW (punteros) hasta kW (industria). Con cristales no lineales, SHG lo convierte a 532 nm (verde).

Ti:zafiro

El Ti:zafiro tiene un ancho de banda de ganancia colosal: 650–1100 nm. Eso lo hace el láser sintonizable más versátil, y su enorme ancho de banda permite generar pulsos de < 10 femtosegundos por mode-locking. Es el rey de la espectroscopía ultrarrápida y la fuente de los peines de frecuencia que ganaron el Nobel de 2005.

Láseres de semiconductor

Los más pequeños, los más baratos, los más producidos. El medio de ganancia es una unión p-n de un semiconductor (GaAs, InP, GaN), bombeada por corriente eléctrica.

Diodo láser (Fabry-Perot)

Una cavidad de ~300 μm entre las caras clivadas del chip. Multimodo (~10 modos longitudinales). Potencia: mW a W. Se fabrican por miles de millones — están en cada reproductor de CD/DVD/Blu-ray, cada ratón óptico, cada impresora láser.

DFB (Distributed Feedback)

Una rejilla de Bragg integrada en el chip selecciona un solo modo. Monomodo, linewidth < 1 MHz. Es el transmisor estándar en telecomunicaciones por fibra óptica — cada bit de datos que viaja por internet pasa por un DFB.

VCSEL

El VCSEL emite perpendicular a la superficie del chip (no por el borde). Cavidad ultra-corta (1–5 μm) con espejos de Bragg epitaxiales. Haz circular, bajo umbral, se puede fabricar en arrays de miles. El láser detrás de Face ID (Apple) y los enlaces de datos dentro de datacenters.

Láseres de fibra

El medio de ganancia es una fibra dopada con iones de tierra rara (erbio, iterbio, tulio). El bombeo entra por un extremo (un diodo láser) y la señal se amplifica a lo largo de metros de fibra.

EDFA

El EDFA (amplificador de fibra dopada con erbio) no es un láser — es un amplificador. Pero es la tecnología que revolucionó las telecomunicaciones: amplifica señales a 1550 nm directamente en la fibra, sin conversión eléctrica. Cada cable submarino tiene un EDFA cada ~80 km.

Láseres de fibra de alta potencia

Con fibra de iterbio (Yb) y bombeo por diodo, una sola fibra monomodo llega a unos 10 kW conservando $M^2 < 1{,}3$. Ése es el techo, y conviene fecharlo porque no se ha movido: los 10 kW por una sola fibra se probaron en 2009 y en 2026 siguen siendo lo más alto que se vende cumpliendo esa calidad de haz. Lo normal en un taller es 1–6 kW; y el récord publicado de un láser monolítico —todo fibra, sin la cadena de 45 bombeos del anterior— con $M^2 < 1{,}3$ es de 6 kW, y es de 2021.

De ahí para arriba ya no hay una fibra: hay muchas. Los 100 kW de 2013 son 90 láseres de fibra de ~1,1 kW combinados, y los 150 kW del récord actual son 60 canales de 2,5 kW sumados sobre una rejilla. Y el precio se lee en el propio catálogo: la línea que el fabricante sigue llamando «monomodo» da 15 kW con un BPP —producto de parámetros del haz, lo que traen las hojas industriales— de 0,9 mm·mrad, 20 kW con 1,2 y 30 kW con 1,8. El BPP no es más que $w_0\theta$ sin normalizar, así que el factor M² del artículo 04 lo traduce de un paso: $M^2 = w_0\theta/(\lambda/\pi) = \text{BPP}\cdot\pi/\lambda$. A 1075 nm eso da $M^2 = 2{,}6$, $3{,}5$ y $5{,}3$. Ninguno es monomodo: son haces de orden bajo, y la palabra del folleto tapa un factor cuatro en brillo.

Y el techo no es una torpeza de ingeniería que vaya a caer el año que viene. Son tres paredes distintas que caen en la misma década de kilovatios:

• El área modal no crece a voluntad. Ser monomodo exige $V = (2\pi/\lambda)\,a\,\text{NA} < 2{,}405$. Con un núcleo de 20 μm a 1070 nm eso pide $\text{NA} < 0{,}041$, que es el suelo del control de índice en la preforma. Por eso las fibras comerciales de gran área modal son de 20 μm y NA 0,06 — $V = 3{,}5$, no son monomodo: se enrollan a un radio pequeño para que el LP₁₁ se fugue por curvatura. Con ese $V$ el modo va apretado dentro del núcleo, no rebosando: el campo modal mide unos 18 μm de diámetro, o sea $A_{\text{eff}} \approx 250$ μm².
• El Raman. Con esos 250 μm² y $g_R \approx 10^{-13}$ m/W, el umbral de Smith $P_{\text{th}} \approx 16 A_{\text{eff}}/(g_R L_{\text{eff}})$ vale 4,1 kW en 10 m de fibra y 2,7 kW en 15 m. Léelo al revés y sale la regla de diseño: para meter 10 kW por esa fibra sin sembrar Stokes, $L_{\text{eff}}$ no puede pasar de 4,1 m. De ahí que las fibras de alta potencia sean cortas y gordas — es la única forma de correr el umbral.
• La inestabilidad modal transversal. Por encima de ~1,6 kW en co-bombeo, la potencia empieza a saltar caóticamente del modo fundamental al LP₁₁ y el haz se degrada en milisegundos; con bombeo bidireccional y diodos a 981 nm se lleva a 2,5–6 kW. Es el muro que de verdad manda hoy, y ni siquiera existía en la literatura antes de 2010.

Por si faltara margen: 10 kW repartidos sobre ese campo modal de 18 μm de diámetro son 3,9 GW/cm² dentro del vidrio, del orden del umbral de daño de la sílice en continuo. La fibra trabaja al filo, no con holgura. Aun así ha reemplazado al CO₂ en corte y soldadura: es flexible, el haz se transporta sin óptica de espacio libre y la eficiencia eléctrica del multimodo industrial pasa del 30 %. El brillo se paga aparte — aquel 10 kW monomodo se queda en el 23 %.

Tabla comparativa

Ejercicios