En la fabricación avanzada moderna, los láseres ya no son solo herramientas de corte, sino instrumentos físicos que operan en escalas de tiempo específicas. A medida que los materiales de ingeniería evolucionan del silicio y el acero al zafiro, el diamante, la cerámica, los semiconductores de banda ancha y las aleaciones de alta temperatura, la duración del pulso de un láser se convierte en el factor dominante que determina la calidad del mecanizado.

Dos regímenes de pulso dominan el procesamiento industrial con láser en la actualidad:
láseres de nanosegundos (ns) y láseres de picosegundos (ps).
Su diferencia no es incremental, sino que representa un cambio fundamental en la forma en que se elimina la materia.

1. Láseres de nanosegundos: eliminación de material dominada por el calor

Los láseres de nanosegundos suelen operar con anchos de pulso entre 1 y 100 ns. En esta escala de tiempo, la interacción láser-materia sigue una vía térmica clásica:

Absorción de fotones → excitación de electrones → calentamiento de la red → fusión → vaporización → solidificación

En otras palabras, el material se elimina por fusión y ebullición.

Este mecanismo funciona bien para el corte y la soldadura macroscópicos, pero introduce severas limitaciones en el micro-mecanizado de precisión, especialmente para materiales frágiles o ultra duros. El largo tiempo de interacción permite que el calor se difunda en la red circundante, produciendo:

• Una zona afectada por el calor (HAZ)

• Capas de refundición del material fundido

• Tensión térmica y microfisuras

Al mecanizar zafiro, rubí, diamante, cerámica o SiC, los láseres de nanosegundos a menudo causan astillamiento de bordes, agrietamiento, paredes de orificios rugosas y pérdida de control dimensional, defectos que son inaceptables en dispositivos ópticos, semiconductores y micro-mecánicos.

2. Láseres de picosegundos: entrando en el régimen de ablación no térmica

Los láseres de picosegundos operan con anchos de pulso de 1 a 50 ps, tres órdenes de magnitud más cortos que los sistemas de nanosegundos. Esta duración es más corta que el tiempo característico requerido para la transferencia de energía de los electrones excitados a la red cristalina.

Como resultado, el láser deposita su energía antes de que se pueda formar calor.

La interacción se convierte en:

Absorción de fotones → ionización ultrarrápida → formación de plasma → ruptura de enlaces → eyección directa de material

Este proceso se conoce como ablación atérmica (o "fría"). El material no se funde, sino que se desintegra físicamente a escala atómica.

Esto conduce a resultados dramáticamente diferentes:

Para materiales ultra duros y frágiles, los láseres de picosegundos proporcionan un nivel de control que los láseres de nanosegundos simplemente no pueden alcanzar.

3. Por qué la micro-perforación expone la verdadera diferencia

En la ingeniería moderna, un "agujero" ya no es solo una abertura, sino una estructura funcional. Los micro-orificios se utilizan en:

• Canales de gas y TSV de semiconductores

• Aberturas ópticas y matrices de micro-lentes

• Sistemas de cojinetes de aire y fluidos

• Boquillas de precisión y canales de refrigeración

Estos orificios a menudo tienen diámetros de solo unos pocos micrones y deben mantener tolerancias estrictas en cuanto a redondez, profundidad e integridad de los bordes. Incluso unos pocos micrones de daño térmico pueden destruir el rendimiento.

Debido a que los láseres de nanosegundos dependen de la fusión, luchan por producir tales estructuras en zafiro, diamante, cerámica o SiC sin inducir grietas o distorsiones. Los láseres de picosegundos, por el contrario, eliminan el material mediante ablación no térmica, lo que permite micro-estructuras funcionales a escala de micras.

4. Por qué el mecanizado industrial de picosegundos es un problema de sistema

La ventaja de los láseres de picosegundos no proviene solo del láser, sino que depende de todo el sistema de movimiento, control y óptico. El micro-mecanizado de picosegundos de grado industrial requiere:

• Movimiento sincronizado de múltiples ejes

• Precisión de posicionamiento a nivel de micras

• Trayectorias de herramientas programables (código G o basadas en CAD)

• Alineación y monitoreo óptico en tiempo real

Las plataformas modernas de micro-perforación de picosegundos integran control de movimiento de cuatro ejes, sistemas de visión CCD de alta magnificación y control digital del diámetro, la profundidad y la forma de los orificios. Estas características permiten que las ventajas físicas de los pulsos de picosegundos se traduzcan en una capacidad de fabricación repetible a nivel de producción.

5. Conclusión: la escala de tiempo define los límites de la fabricación

La diferencia entre los láseres de nanosegundos y picosegundos no es simplemente la velocidad, sino si el material se elimina por calor o por física ultrarrápida.

A medida que la ingeniería avanza hacia la óptica de zafiro, las herramientas de diamante, los componentes cerámicos y los sustratos semiconductores de banda ancha, el procesamiento térmico alcanza sus límites. Los láseres de picosegundos representan la transición del mecanizado basado en calor a la estructuración de materiales de precisión no térmica.

En este sentido, el procesamiento con láser de picosegundos no es solo una herramienta mejor, sino un nuevo régimen físico para la fabricación en sí misma.