El láser cumple 60 años, ¿qué nos depara el futuro?

En China, el mercado más grande del mundo para los láseres, los sistemas hasta el rango de los kilovatios compiten duramente por el precio más bajo. ¿Se ha convertido el láser en una mercancía más? “En realidad me gustaría que así fuera”, dice Christian Schmitz, director ejecutivo de la tecnología láser de Trumpf. “La mercancia significa mayores cantidades, lo que a su vez hace que el láser sea una opción para otras aplicaciones. Lo veo como una señal de que el láser se ha convertido en un gran éxito”. ¿Pero qué hay del futuro para un pionero de la alta tecnología como Trumpf? “Como fabricante de láser comercial, también somos capaces de competir en mercados más grandes. Sin embargo, no planeamos renunciar al mercado de las aplicaciones de alta gama”.

Para Schmitz, esto significa, por ejemplo, la producción de láseres para la industria de los semiconductores. Trumpf suministra a ASML, el proveedor holandés de sistemas de fotolitografía, el láser más potente del mundo producido en serie. Trumpf dedicó 15 años al desarrollo de esta aplicación láser extremadamente especializada, que probablemente representará más del 10% de las ventas totales en 2020. Además, está previsto que siga creciendo, con lo que se contrarrestará la tendencia general de la industria de la máquina-herramienta.

En noviembre de 2020, un equipo de Zeiss, Trumpf y Fraunhofer IOF fue galardonado con el ‘Deutscher Zukunftspreis’ (Premio Alemán del Futuro) por el desarrollo de la litografía EUV. Un proyecto que está respaldado por más de 2.000 patentes. “Para llevar a cabo un proyecto de alta tecnología como este”, explica Schmitz, “es cada vez más importante encontrar los socios adecuados, personas con las que se pueda explotar todo el potencial tecnológico de aplicaciones avanzadas como esta”.

Schmitz encontró tales socios en la Fraunhofer-Gesellschaft. Dentro de la premiada colaboración, el Instituto Fraunhofer de Óptica Aplicada e Ingeniería de Precisión IOF fue responsable del desarrollo de los recubrimientos de espejos EUV. Estos espejos deben tener una rugosidad superficial de no más de 0,1 nm —el diámetro de un átomo—.

Detrás de una constelación tan exitosa se encuentra el principio de Fraunhofer de un equilibrio entre la investigación básica y aplicada. Un tercio de su financiación es proporcionada por el gobierno para la investigación básica. Todo el resto tiene que ser generado en proyectos conjuntos y contratos de investigación para la industria. De esta forma, Fraunhofer ha logrado algo que es único en el mundo: una transferencia de tecnología efectiva.

Igual de importante y efectivo para el éxito de la tecnología láser en Alemania ha sido el apoyo proporcionado durante los últimos 60 años por los ministerios federales de ciencia de Alemania —inicialmente el Ministerio Federal de Investigación y Tecnología (BMFT), y ahora el Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF)— y asuntos económicos. Al financiar la investigación conjunta, lograron unir a las empresas e institutos. “La investigación conjunta sólo puede funcionar cuando existe una cultura de cooperación entre la ciencia y la industria”, dice Andreas Tünnermann, director del Fraunhofer IOF.

“Un ejemplo de esto, en mi opinión, es el desarrollo de láseres de pulso ultracorto para el procesamiento de materiales”, dice Tünnermann. “En los años 90 pudimos demostrar [en el Centro de Láser de Hannover] que los láseres de pulso ultracorto pueden utilizarse para texturizar metales con una precisión en el rango micrométrico, pero sin un daño significativo al material. La experimentación inicial para esto fue parte de un proyecto conjunto del BMBF”. Entre los socios de este proyecto se encontraban empresas como Bosch y Trumpf. “Esto también dio lugar a un Deutscher Zukunftspreis, en este caso, para el equipo que había trabajado en el proyecto conjunto del BMBF”.

Ahora el procesamiento de material con pulsos ultracortos (USP) se eleva a un nuevo nivel. CAPS, el Fraunhofer Cluster of Excellence Advanced Photon Sources, está coordinado conjuntamente por el Fraunhofer IOF y el Fraunhofer ILT. CAPS se embarca en llevar los láseres USP del laboratorio a la fabricación industrial.

“Estamos proporcionando acceso a estos nuevos láseres USP de alto rendimiento en una etapa temprana”, explica Constantin Häfner, recientemente nombrado director de Fraunhofer ILT. “Y hemos establecido instalaciones tanto en Jena como en Aquisgrán, donde las empresas interesadas pueden venir y probar estas fuentes de láser únicas y así adquirir la experiencia necesaria para desarrollar sus propias aplicaciones”.

Para este propósito, no sólo se ha aumentado la potencia de salida a la inaudita cifra de 20 kilovatios. Los expertos del Fraunhofer también mejoran todas las tecnologías a lo largo de la cadena de valor, desde la simulación hasta una gran cantidad de aplicaciones. Por lo tanto, los PAC no sólo ofrecen una base sólida de conocimientos básicos sobre la tecnología láser, sino también la oportunidad de cooperar con los institutos del Fraunhofer 13 en el desarrollo de nuevas tecnologías y, por último, de nuevas aplicaciones.

Los grandes proyectos como CAPS muestran que la tecnología del futuro surgirá en el cruce de socios más bien diversos. Fraunhofer ILT en Aquisgrán tiene mucha experiencia aquí y ha estado proporcionando instalaciones de prueba dedicadas para los socios de la industria desde los primeros días.

También fue esta experiencia la que llevó a Reinhart Poprawe, el predecesor de Häfner como director de Fraunhofer ILT, a impulsar la creación de un Cluster de Fotónica en el Campus de Aachen de la RWTH. Actualmente se está trabajando para hacer realidad su visión de la Producción Fotónica Digital DPP, un enfoque interdisciplinario de una nueva técnica de fabricación.

Para ello, se han construido dos nuevos edificios cerca de los Institutos Fraunhofer y la Universidad RWTH de Aquisgrán. El primero es el Edificio Industrial DPP que alberga a unas 30 empresas que están llevando a cabo investigaciones conjuntas con el Fraunhofer y la RWTH de Aquisgrán como parte de las actividades del Campus de Investigación de Producción Fotónica Digital (DPP). Este trabajo está financiado por el BMBF.

Enfrente se encuentra el Edificio de Investigación DPP, donde el Centro de Investigación para la Producción Fotónica Digital (RCDPP) ha comenzado a trabajar. El RCDPP es uno de los llamados Institutos Interdisciplinarios Integrados de la RWTH de Aquisgrán - también conocido como I³ —e involucra a investigadores de 16 institutos de un total de 6 facultades—.

Lo que puede sonar un poco complejo es en realidad un enfoque nativo del siglo XXI. “Trabajando de forma multidisciplinar y conectada, fomentando un cruce entre diferentes culturas de investigación, viviendo y respirando un espíritu de innovación - así es como podremos desarrollar todo el potencial de la tecnología láser para la industria manufacturera del mañana”, dice Häfner, que también actúa como portavoz del Cluster de Fotónica.

La investigación interdisciplinaria ya ha comenzado. En el campo de la medicina, por ejemplo, ya se utiliza la microscopia de exploración por láser de superresolución, una tecnología que ha sido galardonada con varios premios Nobel. En el futuro, la tecnología láser también podría establecerse en otras áreas de trabajo de laboratorio. En el Instituto Fraunhofer de Tecnología de la Información, los investigadores están investigando la interacción entre los fotones y las células biológicas.

“Estamos trabajando en la bioimpresión como una forma de crear estructuras de tejido en 3D”, explica Häfner. “Usando biomateriales y células vivas, ahora podemos crear estructuras biológicas que imitan las propiedades inmunológicas, celulares y anatómicas de un paciente humano. A largo plazo, incluso podría ser posible utilizar la fabricación de aditivos para producir tejidos y órganos personalizados en el laboratorio. Eso nos ayudaría a satisfacer la necesidad de trasplantes humanos”.

El tema más candente en el campo de la investigación aplicada del láser en este momento es la tecnología cuántica. En febrero de 2020, el gobierno federal alemán anunció una financiación de 600 millones de euros para este campo, seguido de otros 2.000 millones como parte del presupuesto de COVID-19. Esto es probablemente más que el total combinado de todos los fondos anteriores para la tecnología láser.

Tünnermann, de Fraunhofer IOF, recuerda que “Alemania ya ha estado promoviendo la tecnología cuántica durante varias décadas” y que “estos programas significan que tenemos una excelente base de investigación básica en este campo”. En respuesta a la afirmación de que China y los EE UU ya están muy por delante, responde: “Mi sensación aquí es que las economías más exitosas serán aquellas que tengan estructuras para promover activamente la transferencia de esta tecnología. Por eso la fotónica es un excelente ejemplo, y es un buen plan para un éxito duradero con la tecnología cuántica”.

En la actualidad, está avanzando un proceso de agenda nacional en el que expertos de la industria, la investigación y las comunidades de usuarios se reúnen en red para garantizar que la financiación de la tecnología cuántica se utilice de la forma más eficaz.

En la década de 1960, el láser se consideraba ‘la próxima gran cosa’ después de la energía atómica. A diferencia de la energía nuclear, la tecnología láser se ha convertido en una parte de la vida cotidiana. Ya juega un papel clave en los campos de las telecomunicaciones y la ingeniería de producción, y su importancia seguirá creciendo.

Una nueva empresa alemana tiene planes aún más ambiciosos: Marvel Fusion GmbH investigará la fusión nuclear basada en el láser. La tecnología para esto se basa en sistemas del tipo que se está desarrollando dentro de una red de investigación europea conocida como la Infraestructura de Luz Extrema (ELI).

Respaldada por una financiación que ha crecido hasta los mil millones de euros, la ELI comprende tres institutos en Europa del Este. Estos están trabajando para hacer realidad la gran visión de Gérard Mourou, ganador del Premio Nobel de Física en 2018. En su conferencia Nobel, Mourou pasó del descubrimiento inicial de Maiman a un punto muy lejano en el futuro, en el que los láseres pueden convertirse en aceleradores de partículas, o crear condiciones comparables a las del interior de las estrellas. Encenderán la fusión nuclear. Y serán tan intensos que sacarán partículas del vacío. Marvel Fusion está trabajando en este camino hacia soluciones factibles.

Así que el láser ha resuelto muchos problemas que eran desconocidos cuando Maiman habló de una solución en busca de un problema. Sin embargo, como prometió el visionario Gérard Mourou, “¡lo mejor está por venir!”