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Basándose en esto, el futuro cercano puede verlos convertirse en cruciales en procesos de fabricación (soldadura, impresión 3D), telecomunicaciones satelitales, propulsión de naves espaciales, biotecnología, computación (fonónica), fusión nuclear y incluso armas.
Principios del láser
Láser es un acrónimo que significa Luz Amplificación por Emisión Restimulada de Radiación. La idea clave detrás de la tecnología del láser es producir luz “coherente” en lugar de luz ordinaria.
Los haces de luz coherentes crean una luz muy estrecha a una sola longitud de onda que no se dispersa sobre largas distancias.
La forma de crear un láser es estimular los átomos del emisor, generalmente hechos de gas pero que también pueden ser líquidos o sólidos, para que emitan luz y tengan la mayor parte de esa luz atrapada y reflejada dentro del láser hasta que pueda escapar como un haz de luz coherente.
Los láseres se pueden fabricar para una amplia variedad de longitudes de onda de luz, cada una utilizando su propio material para producir la luz, lo que cambia cómo operan. Diferentes longitudes de onda llevarán diferentes niveles de energía y serán absorbidas de manera diferente dependiendo del material objetivo.
Por ejemplo, incluso solo en el campo médico, se pueden utilizar muchos láseres diferentes dependiendo del objetivo.
(Los lectores interesados en los principios científicos detrás del láser pueden leer “Principios del láser” para obtener más información).
Mejora de la tecnología láser
A lo largo de los años, los láseres han mejorado enormemente. Nuevos materiales aumentaron las longitudes de onda disponibles, con CO2, rubí, titanio-zafiro y láseres de puntos cuánticos (que en sí mismos obtuvieron el Premio Nobel de Física en 2023).
Esto abrió la posibilidad de láseres de pulso ultra-corto, así como láseres ajustados para aplicaciones específicas en fabricación y medicina.
Los láseres de baja potencia se volvieron lo suficientemente baratos como para integrarse en escáneres de códigos de barras en la década de 1970. Más tarde, se utilizarían para leer datos almacenados en CD, y más tarde en discos DVD y Blu-Ray.
Nuevas formas de láseres también podrían estar en el horizonte, con, por ejemplo, “láseres de aire abierto”, que podrían ser más robustos y ligeros.
Aplicaciones del láser
Observaciones de tiempo infinitesimal
Una de las aplicaciones de los pulsos láser ultra-cortos es “iluminar” un objetivo muy brevemente, en el orden del femtosegundo, un millón de milmillonésima de segundo.
Esto hace posible la observación de fenómenos como las reacciones químicas de las moléculas que anteriormente se consideraban instantáneas.
Los láseres se pueden utilizar para grabar materiales con mucha precisión. Sin embargo, el problema es que el uso prolongado del láser crea un calentamiento rápido del material, lo que crea ondas de choque dañinas. Para láseres potentes o materiales que requieren no tener defectos, esto solía ser un problema.
Los láseres de femtosegundo mejorados aún realizan el grabado pero son lo suficientemente cortos como para no sobrecalentarse, eliminando este problema.
Hoy en día, los láseres se utilizan rutinariamente para perforar, cortar, marcar, texturizar y soldar metales, así como plástico, madera, vidrio, etc.
“Muchas de las partes fabricadas de hoy en día requieren características microscópicas que solo se pueden crear con perforación láser.
Se pueden producir características muy pequeñas y complejas en una variedad de materiales, con métodos como escritura directa, trepanación y proyección de máscara, sin efectos de calor ni daño al material.”
Los láseres modernos se controlan a través de software avanzado de la misma manera que las máquinas CNC. Las herramientas de fabricación láser van desde dispositivos de escritorio pequeños que cuestan unos pocos miles de dólares hasta máquinas de tamaño de fábrica que cuestan millones de dólares.
Los láseres pueden ser tan precisos que ahora se utilizan para eliminar el aislamiento de los cables.
“El aislamiento se puede eliminar con una tolerancia de 0,005 pulgadas. El pelado se puede programar para ablacionar el aislamiento en cualquier punto a lo largo del cable, lo que permite eliminaciones de precisión en el punto medio.”
En general, a medida que la impresión 3D se convierte en una parte cada vez más grande de los procesos de fabricación, como se discutió en “La impresión 3D se consolida en el futuro de la fabricación“, podemos esperar que la demanda de láseres aumente igualmente.
Usos médicos
La luz intensa de los láseres se puede utilizar para crear aceleración láser-plasma, acelerando partículas como protones y electrones a niveles extremos de energía. Estos se pueden utilizar para terapia de radiación, con los láseres que permiten máquinas lo suficientemente pequeñas como para caber en un entorno hospitalario, a diferencia de los aceleradores de partículas que son mucho más grandes y más voluminosos.
Los láseres ultra-rápidos también se utilizan para la cirugía ocular, desde la cirugía LASIK que elimina la necesidad de gafas hasta la fotocoagulación para tratar la retinopatía diabética (enfermedades de la retina).
Los láseres se pueden utilizar para el tratamiento de la piel, desde afectar solo la capa superior hasta los vasos sanguíneos más profundos, dependiendo de la longitud de onda utilizada.
Por último, los láseres tienen aplicaciones para tratamientos cosméticos, desde la eliminación de cabello y tatuajes hasta la rejuvenecación de la piel, la eliminación de cicatrices de acné y manchas pigmentadas (por ejemplo, lunares y manchas de la edad).
Almacenamiento de datos
Los láseres se han utilizado para codificar datos en discos ópticos durante varias décadas. Láseres más potentes y de menor longitud de onda pueden almacenar datos de manera más densa, por lo que se dio el paso a láseres de LED azul para Blu-Ray.
Sin embargo, ahora está claro que los discos ópticos no son una forma duradera de almacenamiento de datos.
En cualquier caso, la capacidad de los láseres para ser tan precisos como la longitud de onda de su luz en nanómetros los hace probablemente permanezcan como un método preferido de grabación de datos, especialmente para el almacenamiento a largo plazo.
Grabado de semiconductores
Desde el origen de la industria, los fabricantes de semiconductores han utilizado láseres para preparar el material utilizado para crear chips de computadora.
Una ventaja clave es que el corte y grabado láser no requieren contacto y producen menos polvo que las alternativas, una ventaja importante para materiales que requieren el más alto nivel de limpieza. El corte láser también desperdicia menos material y no crea grietas.
Los láseres se utilizan para realizar soldadura, eliminación de recubrimiento y marcado de material y equipo de semiconductores.
Computación
A medida que los chips de silicio clásicos se vuelven casi tan pequeños como es posible, se consideran nuevas formas de computación para seguir aumentando la potencia de nuestras computadoras y centros de datos.
Además de los semiconductores y la computación, los láseres se han utilizado durante décadas para transmitir información.
Los diodos láser pueden producir luz coherente con una frecuencia estrecha, lo que permite que varios canales de información se envíen a través de un solo cable de fibra óptica. Se utilizan principalmente para telecomunicaciones de larga distancia y se fabrican utilizando puntos cuánticos.
Los láseres también se pueden utilizar para telecomunicaciones espaciales, ya sea entre satélites o entre satélites y estaciones terrestres.
En el futuro, cualquier telecomunicación espacial con posibles bases lunares o marcianas también probablemente utilizará láser, ya que proporciona tanto la transferencia de datos más rápida posible como la mayor banda ancha posible.
Biotecnología
Fluorescencia
Una aplicación a menudo olvidada de los láseres es en biotecnología. El método temprano fue Fluorescencia inducida por láser (LIF), donde se utiliza un láser para hacer que los tejidos o moléculas biológicas emitan luz verde o roja, lo que permite su observación en un microscopio de fluorescencia.
Un subsegmento importante de esta técnica es la espectroscopía LIF, utilizada en cromatografía y electroforesis capilar, ambas técnicas muy importantes en bioquímica para el análisis de moléculas biológicas.
Secuenciación de genes y medicina
Otra aplicación biotecnológica de láser cada vez más importante es la secuenciación genética.
La mejora en la tecnología láser y la disminución de los costos han sido factores clave para hacer que la secuenciación de genes sea más generalizada y accesible para investigadores y especialistas médicos.
Los láseres se pueden utilizar para medir el entorno que los rodea. Se puede utilizar para la posición de láseres en fábricas, medir la distancia o la presencia de un obstáculo.
Sistemas complejos de tales láseres se utilizan en LIDAR (Light Detection and Ranging), que utiliza pulsos de luz láser para medir la distancia de los objetos que lo rodean. Los sistemas LIDAR se utilizan rutinariamente para la creación de mapas.
Los LIDAR son un componente clave de la mayoría de los sistemas de vehículos autónomos (con la excepción de la dependencia de Tesla en cámaras solamente), incluyendo Waymo de Google .
Arma de energía directa
A medida que los drones se convierten en una amenaza creciente en los campos de batalla modernos, los ejércitos de todo el mundo están buscando soluciones de bajo costo para derribarlos.
Esto es especialmente importante ya que la mayoría de los drones suicidas cuestan solo unos pocos miles de dólares como máximo, lo que hace que cualquier solución de misil o incluso de arma base sea a menudo más costosa que el objetivo.
Una solución podría ser las armas basadas en láser, una subcategoría de armas de energía directa (que también incluyen haces de microondas, por ejemplo). La idea es utilizar un haz de láser potente para quemar el dron antes de que pueda convertirse en una amenaza.
Como el costo de la “munición” sería solo el costo de la energía, esta podría ser una de las únicas opciones viables a largo plazo. La idea es, sin embargo, todavía lejos de madurar, con algunos problemas que resolver antes de su despliegue en campos de batalla activos:
Las armas láser pueden verse obstaculizadas por el clima neblinoso.
El consumo de energía es masivo, lo que hace que su generación y almacenamiento para disparos rápidos sean problemáticos.
Los láseres tienden a ser dispositivos relativamente frágiles, lo que los hace poco confiables en un papel de primera línea.
Es probable que la primera aplicación de despliegue a gran escala de armas basadas en láser sea para instalaciones fijas como bases militares y barcos.
Fusión nuclear
Actualmente, la estrategia dominante para lograr la fusión nuclear es utilizar tokamaks, estructuras en forma de donut que utilizan campos magnéticos para contener el plasma.
Como explicamos en “Fusión nuclear – La solución de energía limpia definitiva en el horizonte”, esta no es, sin embargo, la única método posible para lograr la fusión nuclear. Otra opción es utilizar láseres para tratar de hacer que los átomos de hidrógeno se calienten tanto que colisionen entre sí, lo que crea instantáneamente ondas de choque que empujan los átomos de hidrógeno hacia dentro.
Un buen ejemplo es el U.S. National Ignition Facility (NIF), que guía, amplifica, refleja y enfoca 192 potentes haces de láser hacia un objetivo del tamaño de una goma de borrar. Esto entrega 500 billones de vatios de potencia pico en un solo punto.
Dichos sistemas son buenos candidatos para la fusión nuclear comercial potencial y también podrían ser útiles para la propulsión de fusión pulsada para naves espaciales de profundidad.
Aplicaciones espaciales
Astrofísica
La astrofísica a menudo trata con condiciones extremas de presión y temperatura, difíciles de replicar en la Tierra. Por ejemplo, el contenido de las estrellas o los planetas gaseosos.
Una posibilidad creciente para la generación de energía limpia es la energía solar orbital. Esto se debe a que el costo de lanzar un sistema de energía a la órbita disminuye muy rápidamente, lo que hace viable la idea de levantar miles de toneladas de carga a la órbita o la fabricación en el espacio.
Otra posibilidad futura para los láseres en el espacio es la vela solar. La idea clave es que aunque los fotones son sin masa, aún llevan un momento muy pequeño.
En el entorno sin peso del espacio profundo, este pequeño empuje puede ser suficiente para acelerar una nave espacial.
Una vela solar sería una gran vela hecha de lámina capaz de atrapar la luz y convertirla en propulsión. Los sistemas láser orbitales o basados en la Luna podrían lanzar más luz a dicho sistema y hacer que se acelere a velocidades inalcanzables con la cohetería química.
Fuente: For All Mankind TV
Este método incluso podría usarse para viajes interestelares, ya que teóricamente podría empujar una nave espacial hasta el 20% de la velocidad de la luz utilizando la física conocida.
Si no está interesado en seleccionar empresas específicas, también puede considerar ETF de tecnología como iShares U.S. Technology ETF (IYW) o ProShares Nanotechnology ETF (TINY) aunque no haya un ETF de láser dedicado disponible, lo que le proporcionará una exposición más diversificada para capitalizar las acciones de nanotecnología y tecnología.
Coherent es un gran conglomerado industrial con más de 26,000 empleados y un líder en tecnología láser, resultado de la fusión de materiales avanzados II-VI Marlow con el fabricante de láseres Coherent.
La compañía es experta en materiales avanzados utilizados en láseres, óptica y fonónica, como el fosfuro de indio, obleas epitaxiales y arseniuro de galio. Ha crecido en gran medida gracias a múltiples adquisiciones en la última década.
La empresa deriva el 29% de sus ingresos del láser directamente, con el resto vinculado a equipos asociados como fibra óptica y electrónica. La categoría de instrumentación incluye principalmente aplicaciones de ciencias de la vida y medicina.
La presencia de la empresa en materiales avanzados como termofotovoltaicos (que discutimos en un artículo anterior), carburo de silicio, láseres y electrónica ayuda a que se beneficie de las tendencias estructurales como el crecimiento de la fabricación de precisión, la fabricación aditiva (impresión 3D), la electrificación y las energías renovables.
La empresa ha separado recientemente su negocio de carburo de silicio en una nueva entidad, propiedad al 75% de Coherent, con el resto propiedad de sus socios Mitsubishi Electric (que aporta la propiedad intelectual de carburo de silicio de potencia) y Denso (que aporta su actividad como proveedor automotriz en electrificación y semiconductores de potencia).
Esto se debe a que el carburo de silicio es cada vez más su propia tecnología, principalmente utilizada en aplicaciones de alta potencia como los vehículos eléctricos, las baterías y las energías renovables.
Las otras posibles aplicaciones de láser como armas de energía directa, computación fotónica, fusión nuclear y spacetech podrían igualmente ayudar a sostener el crecimiento a largo plazo de la empresa.
En general, Coherent es tan cercana como puede estar a una empresa de láser “pura” negociada públicamente para los inversores interesados en el sector, con una fuerte integración vertical y 3,100+ patentes que protegen sus innovaciones.
Jonathan es un ex investigador de bioquímica que trabajó en análisis genético y ensayos clínicos. Ahora es un analista de acciones y escritor de finanzas con un enfoque en innovación, ciclos del mercado y geopolítica en su publicación The Eurasian Century.
