Los láseres como tecnología central del mundo moderno y del futuro

Potencial de los láseres

Desde que el primer láser se construyó en 1960, y los científicos detrás de la física que lo hizo posible fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1964, la tecnología ha seguido encontrando nuevas aplicaciones. Los láseres se usan comúnmente para:

• grabado e impresión,
• comunicaciones por fibra óptica,
• discos ópticos,
• fabricación de semiconductores,
• cirugía,
• tratamientos de salud,
• mediciones,
• objetivo militar.

Basándose en esto, el futuro cercano podría verlos convertirse en elementos cruciales en procesos de fabricación (soldadura, impresión 3D), telecomunicaciones satelitales, propulsión de naves espaciales, biotecnología, computación (fotónica), fusión nuclear e incluso armas.

Principios del láser

Laser es un acrónimo que significa Luz Amplificación Stimulada Emisión Radiación. La idea clave detrás de la tecnología láser es producir luz “coherente” en lugar de luz ordinaria.

Los haces coherentes de luz crean una luz muy estrecha en una única longitud de onda que no se dispersa a largas distancias.

Fuente: Britannica

La forma de crear un láser es estimular los átomos del emisor, usualmente hechos de gas pero también pueden ser líquidos o sólidos, de modo que emitan luz y la mayor parte de esa luz quede atrapada y reflejada dentro del láser hasta que pueda escapar como un haz coherente.

Fuente: University of Kwazulu-Natali

Los láseres pueden fabricarse para una amplia variedad de longitudes de onda, cada una usando su propio material para producir la luz, lo que cambia su modo de operación. Diferentes longitudes de onda transportan diferentes niveles de energía y se absorben de manera distinta según el material objetivo.

Por ejemplo, incluso solo en el campo médico, se pueden usar muchos láseres diferentes dependiendo del objetivo.

Fuente: University of Kwazulu-Natali

Mejora de la tecnología láser

Con 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 (ellos mismos ganadores del Premio Nobel de Física en 2023).

Esto abrió la posibilidad de láseres de pulso ultra corto, así como láseres afinados para aplicaciones específicas en fabricación y medicina.

Los láseres de baja potencia se volvieron rápidamente lo suficientemente baratos como para integrarse en escáneres de códigos de barras en la década de 1970. Más tarde, se usarían para leer datos almacenados en CD, y posteriormente en DVD y discos Blu‑Ray.

Fuente: Laser Warfare

Aplicaciones de los láseres

Observaciones en tiempo infinitesimal

Una de las aplicaciones de pulsos láser ultracortos es “iluminar” un objetivo muy brevemente, en el orden de femtosegundo, un millón de una milmillonésima de segundo.

Esto hace posible la observación de fenómenos como reacciones químicas moleculares que antes se veían como instantáneas.

Fuente: Nobel Prize

El progreso adicional está abriendo un campo científico completamente nuevo, la ciencia attosegundo (1/1000^th de un femtosegundo). Con ella, los científicos pueden estudiar la dinámica electrónica dentro de átomos y moléculas, y la materia en fase condensada podría ser sondeada.

Grabado y fabricación

Los láseres pueden usarse para tallar materiales con gran precisión. Sin embargo, el problema es que un uso prolongado del láser genera un rápido calentamiento del material, creando ondas de choque dañinas. Para láseres potentes o materiales que requieren ausencia de defectos, esto solía ser un problema.

Los láseres femtosegundo mejorados siguen realizando el tallado pero son lo suficientemente cortos como para no sobrecalentar, eliminando este problema.

Fuente: Nobel Prize

Hoy en día, los láseres se usan rutinariamente para perforar, cortar, marcar, texturizar y soldar metales, así como plásticos, madera, vidrio, etc.

“Muchas de las piezas fabricadas hoy en día requieren características microscópicas que solo pueden crearse con perforación láser.

Características muy pequeñas y complejas pueden producirse en una variedad de materiales, con métodos como escritura directa, trepanado y proyección de máscara, sin efectos de calor ni daño al material.”

Matt Nipper, director de ingeniería de Laser Light Technologies, ahora parte de Spectrum Plastics.

Las máquinas láser modernas se controlan mediante software avanzado de la misma forma que las máquinas CNC. Las herramientas de fabricación láser van desde pequeños dispositivos de escritorio que cuestan unos pocos miles de dólares hasta máquinas de fábrica que valen varios millones.

Los láseres pueden ser tan precisos que ahora se usan para eliminar el aislamiento de los cables.

“El aislamiento puede eliminarse con una tolerancia de 0,005 pulgadas. El despojado puede programarse para ablacionar el aislamiento en cualquier punto del cable, permitiendo eliminaciones de alta precisión a mitad del tramo.”
Matt Nipper, director de ingeniería de Laser Light Technologies, ahora parte de Spectrum Plastics.

 Impresión 3D

Muchas impresoras 3D usan un láser para fundir el plástico o metal que forma el producto final impreso en 3D. Esto incluye fusión láser de lecho de polvo, una técnica que podría volverse aún más precisa y potente usando un haz láser en forma de anillo.

Fuente: International Journal of Machine Tools and Manufacture

Dos láseres a la vez también podrían convertirse en una configuración estándar para acelerar el proceso de fabricación aditiva.

En general, a medida que la impresión 3D se convierte en una parte cada vez mayor de los procesos de fabricación, como se discute en “Impresión 3D Consolidándose en el Futuro de la Fabricación“, podemos esperar que la demanda de láseres aumente de forma equivalente.

Usos médicos

La intensa luz de los láseres puede usarse para crear aceleración láser‑plasma, acelerando partículas como protones y electrones a niveles extremos de energía. Estos pueden emplearse en terapia de radiación, con 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 voluminosos.

Los láseres ultrarrápidos también se usan para cirugía ocular, desde la cirugía LASIK que elimina la necesidad de gafas hasta la fotocoagulación para tratar la retinopatía diabética (enfermedades de la retina).

Fuente: Nobel Prize

Los láseres pueden usarse para tratamientos de piel, desde afectar solo la capa superior hasta los vasos sanguíneos más profundos, dependiendo de la longitud de onda utilizada.

Fuente: Laser Focus World

Por último, los láseres tienen aplicaciones en tratamientos cosméticos, desde la eliminación de vello y tatuajes hasta la rejuvenecimiento de la piel, eliminación de cicatrices de acné y manchas pigmentadas (p. ej., manchas de la edad y lunares).

Almacenamiento de datos

Los láseres se han usado para codificar datos en discos ópticos durante varias décadas. Los láseres de longitud de onda más fuerte y pequeña pueden almacenar datos de forma más densa, de ahí el paso a los láseres LED azules para Blu‑Ray.

Sin embargo, ahora está claro que los discos ópticos no son una forma duradera de almacenamiento de datos.

Por lo tanto, se están considerando muchos métodos que usan láseres, como grabado de baja potencia en polímeros, otras formas de almacenamiento mecánico de datos, grabado de diamantes, o discos de cristal 5D.

Fuente: University of Southampton

En cualquier caso, la capacidad de los láseres para ser tan precisos como los nanómetros de su longitud de onda los hace propensos a seguir siendo un método preferido de registro de datos, especialmente para almacenamiento a largo plazo.

Grabado de semiconductores

Desde el origen de la industria, los fabricantes de semiconductores han usado láseres para preparar el material utilizado en la creación de chips informáticos.

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 usan para realizar soldadura, eliminación de recubrimientos y marcado de material y equipos 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 el poder de nuestras computadoras y centros de datos.

Una de ellas es la fotónica, que usa luz en lugar de electrones para transportar los datos computacionales. El método usa muchos láseres ultrarrápidos, así como sensores de luz y fibras ópticas para reemplazar los transistores de silicio y podría ser una forma de mantener viva la Ley de Moore.

Otra opción son las computadoras cuánticas, que usan efectos cuánticos para realizar cálculos normalmente imposibles para computadoras normales. Los láseres también podrían ayudar aquí, desde láseres infrarrojos para manipular átomos de hidrógeno hasta usar láseres para magnetizar sustancias no magnéticas.

Telecomunicaciones

Además de semiconductores y computación, los láseres se han usado durante décadas para transmitir información.

Los diodos láser pueden producir luz coherente con una frecuencia estrecha, lo que permite enviar múltiples canales de información a través de una sola fibra óptica. Se usan mayormente para telecomunicaciones de larga distancia y se fabrican usando puntos cuánticos.

Los láseres también pueden usarse para telecomunicaciones espaciales, ya sea entre satélites o entre satélites y estaciones en la Tierra.

La principal ventaja de usar comunicaciones láser sobre ondas de radio es el mayor ancho de banda, lo que permite transferir más datos en menos tiempo. Otra cualidad es que las telecomunicaciones láser son casi imposibles de interceptar, ya que cualquier espionaje requeriría estar físicamente junto al receptor.

Por ejemplo, los satélites de Starlink cada contienen 3 enlaces láser intersatélites (ISL) que operan a 200 Gbps (Gigabytes por segundo) para transmitir datos entre sí antes de enviarlos de vuelta a las estaciones de Starlink.

En el futuro, cualquier telecomunicación espacial con posibles bases en la Luna o Marte también probablemente usará láser, ya que brinda tanto la transferencia de datos más rápida posible como el mayor ancho de banda disponible.

Biotecnología

Fluorescencia

Una aplicación a menudo olvidada de los láseres está en la biotecnología. El método temprano fue Fluorescencia inducida por láser (LIF), donde un láser se usa para hacer que tejidos biológicos o moléculas emitan luz verde o roja, permitiendo su observación en un microscopio de fluorescencia.

Fuente: MicroscopyU

Los láseres se usan en citómetros de flujo para separar células en una muestra también.

Un subsegmento importante de esta técnica es la espectroscopía LIF, usada en cromatografía y electroforesis capilar, ambas técnicas muy importantes en bioquímica para el análisis de moléculas biológicas.

Secuenciación genética y medicina

Fuente: Memorial University

La mejora en la tecnología láser y la disminución de costos han sido factores clave para que la secuenciación genética sea más generalizada y accesible tanto para investigadores como para especialistas médicos.

Los láseres se usan para detección de cáncer y análisis de células cancerosas y también pueden usarse para cortar finas láminas de tejido para análisis posteriores.

Sensores y vehículos autónomos.

Los láseres pueden usarse para medir el entorno que los rodea. Pueden emplearse para posicionar láseres en fábricas, medir distancias o detectar la presencia de un obstáculo.

Sistemas complejos de dichos láseres se usan en LIDAR (Detección y Rango por Luz), que emplea pulsos de luz láser para medir la distancia de objetos a su alrededor. Los sistemas LIDAR se usan rutinariamente para mapeo.

Los LIDAR son un componente clave de la mayoría de los sistemas de vehículos autónomos (con la excepción de la dependencia exclusiva de cámaras de Tesla ), incluyendo Waymo de Google (GOOGL ).

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 buscan soluciones de bajo costo para derribarlos.

Esto es especialmente importante ya que la mayoría de los drones suicidas cuestan apenas unos pocos miles de dólares, lo que hace que cualquier solución basada en misiles o incluso en armas de fuego sea a menudo más cara que el propio objetivo.

Una solución podrían ser armas basadas en láser, una subcategoría de armas de energía directa (que también incluye haces de microondas, por ejemplo). La idea es usar un potente haz láser para quemar el dron antes de que pueda convertirse en una amenaza.

Fuente: Laser Focus World

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. Sin embargo, la idea aún está lejos de madurar, con varios problemas por resolver antes de su despliegue en campos de batalla activos:

• Las armas láser pueden verse obstaculizadas por condiciones de niebla.
• El consumo de energía es masivo, lo que hace problemático tanto su generación como su almacenamiento para disparos rápidos.
• Los láseres tienden a ser dispositivos relativamente frágiles, lo que los hace poco fiables en un rol de primera línea.

Lo más probable es que la primera aplicación a gran escala de armamento basado en láser sea para instalaciones fijas como bases militares y buques.

Fusión nuclear

Actualmente, la estrategia dominante para lograr la fusión nuclear es usar tokamaks, estructuras en forma de dona que utilizan campos magnéticos para contener el plasma.

Como explicamos en “Fusión nuclear – La solución de energía limpia definitiva en el horizonte”, este no es, sin embargo, el único método posible para lograr la fusión nuclear. Otra opción es usar láseres para intentar calentar átomos de hidrógeno tanto que colisionen entre sí, lo que crea ondas de choque que empujan los átomos de hidrógeno juntos.

Un buen ejemplo es el National Ignition Facility (NIF) de EE. UU., que dirige, amplifica, refleja y enfoca 192 potentes haces láser en un objetivo del tamaño de una goma de borrar. Esto entrega 500 billones de vatios de potencia pico en un solo punto.

Fuente: Britannica

Estos sistemas son buenos candidatos para una posible fusión nuclear comercial, y también podrían ser útiles para propulsión de fusión pulsada para naves espaciales de gran 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 estrellas o planetas gigantes gaseosos.

Los láseres de rayos X de electrones libres (XFEL) pueden ayudar a estudiar esa Matter Densa Cálida (WDM), lo que a su vez podría ayudar a crear mejores naves espaciales y motores de fusión nuclear.

Solar orbital

Una posibilidad creciente para la generación de energía limpia es la solar orbital. Esto se debe a que el costo de lanzar un sistema de energía al órbita está disminuyendo muy rápidamente, haciendo viable la idea de levantar miles de toneladas de carga al órbita o la fabricación basada en el espacio.

Como exploramos en “Soluciones de energía basadas en el espacio para energía limpia interminable”, la energía generada podría enviarse de vuelta a la Tierra usando ya sea haces de microondas o láseres potentes.

Vela solar

Otra posibilidad futura basada en el espacio para los láseres son las velas solares. La idea clave es que, aunque los fotones no tienen masa, aún transportan un ínfimo impulso.

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 captar la luz y convertirla en propulsión. Sistemas láser orbitales o basados en la Luna podrían lanzar más luz a dicho sistema y hacerlo acelerar a velocidades inalcanzables con la propulsión química.

Fuente: For All Mankind TV

Este método podría incluso usarse para viajes interestelares, ya que teóricamente podría impulsar una nave espacial hasta el 20 % de la velocidad de la luz usando la física conocida.

Inversión en tecnología láser

Los láseres están presentes en innumerables partes de la tecnología moderna, desde discos ópticos hasta herramientas quirúrgicas, impresión 3D, semiconductores, fabricación y secuenciadores de genoma, con un mercado de 17,8 mil millones de dólares que se espera crezca un 7,8 % CAGR hasta 2030.

Puede invertir en empresas relacionadas con láseres a través de muchos corredores, y aquí, en securities.io, encontrará nuestras recomendaciones para los mejores corredores en EE. UU, Canadá, Australia, Reino Unido, así como muchos otros países.

Si no está interesado en seleccionar empresas específicas, también puede considerar ETFs tecnológicos como iShares U.S. Technology ETF (IYW) o ProShares Nanotechnology ETF (TINY), aunque no exista un ETF dedicado exclusivamente a láseres, lo que le proporcionará una exposición más diversificada para capitalizar en acciones de nanotech y tecnología.

También puede aprender cómo invertir en galio en nuestro informe dedicado, ya que el galio es un elemento clave para la fabricación de láseres, actualmente en el centro de la guerra comercial EE. UU‑China.

Empresa de láseres

II-VI Marlow / Coherent

Coherent es un gran conglomerado industrial con más de 26 000 empleados y líder en tecnología láser, resultante de la fusión del material avanzado II‑VI Marlow con el fabricante de láseres Coherent.

La compañía es experta en materiales avanzados usados en láseres, óptica y fotónica, como fosfuro de indio, obleas epitaxiales y arseniuro de galio. Creció en gran parte gracias a múltiples adquisiciones durante la última década.

Fuente: Coherent

La compañía deriva el 29 % de sus ingresos directamente de láseres, con el resto vinculado a equipos asociados como fibra óptica y electrónica. La categoría de instrumentación incluye mayormente aplicaciones en ciencias de la vida y medicina.

Fuente: Coherent

La presencia de la compañía en materiales avanzados como termofotovoltaicos (que discutimos en un artículo anterior), carburo de silicio, láseres y electrónica le ayuda a beneficiarse de tendencias estructurales como el crecimiento de la fabricación de precisión, la fabricación aditiva (impresión 3D), la electrificación y las energías renovables.

Recientemente la empresa separó su negocio de carburo de silicio en una nueva entidad, de la cual Coherent posee el 75 %, y el resto es propiedad equitativa de sus socios Mitsubishi Electric (aportando la propiedad intelectual de potencia de carburo de silicio) y Denso (aportando su actividad como proveedor automotriz en electrificación y semiconductores de potencia).

Esto se debe a que el carburo de silicio está convirtiéndose cada vez más en su propia tecnología, usada mayormente en aplicaciones de alta potencia como vehículos eléctricos, baterías y energía renovable.

Coherent es líder en LIDAR y detección digital 3D, incluidas aplicaciones de conducción autónoma, biotecnología Next Generation Sequencing (NGS) Flow Cells, y láseres para fabricación de semiconductores. Espera que sus mercados principales crezcan entre un 8 % y 20 %.

Fuente: Coherent

Las otras posibles nuevas aplicaciones de los láseres, como armas de energía directa, computación fotónica, fusión nuclear y tecnología espacial, podrían ayudar igualmente a sostener el crecimiento a largo plazo de la compañía.

En conjunto, Coherent es lo más cercano a una empresa “pure play” cotizada públicamente en el sector de láseres para inversores interesados en la industria, con una fuerte integración vertical y más de 3 100 patentes que protegen sus innovaciones.