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Fundamentos del Láser
Segunda parte: Tipos de Láseres
“Espectroscopia Láser”Enrique Mejía Ospino, [email protected]
Contenido
I. Láseres Gaseosos
II. Láseres de Estado Sólido
III. Láseres de Diodos
IV. Láseres Líquidos y otros tipos de láseres
Introducción
Tipos de Láseres
Los láseres se pueden clasificar de acuerdo a…
- Medio de amplificación (sólido, líquido, gaseoso)- Longitud de Onda (VUV, UV, Vis, NIR, MIR, FIR)
- Línea fija o sintonizable- Duración del pulso (contínuo o pulsado (ms, µs, ns, ps, fs))
- Potencia de salida (alta, media o baja potencia)- Tipo de bombeo (óptico, eléctrico, químico)
- Aplicaciones (…)
Láser Medio Longitud de onda (nm) Fluorine (F2, Excimer-UV) 157 Argon Fluoride (ArF, Excimer-UV) 193 Krypton Chloride (KrCl, Excimer-UV) 222 Krypton Fluoride (KrF, Excimer-UV) 248 Frequency Quadrupled Nd:YAG (UV) 266 Xenon Chloride (XeCl, Excimer-UV) 308 Xenon Fluoride (XeF, Excimer-UV) 351 Helium-Cadmium (HeCd, UV) 325 Nitrogen (N2, UV) 337 Frequency Tripled Nd:YAG (NUV) 355 Calcium Vapor Ion (NUV) 374 Gallium Nitride (GaN, violet/NUV) 400 Strontium Vapor Ion (violet) 431 Helium-Cadmium (HeCd, violet-blue) 442 Frequency Doubled Nd:YVO4 (blue) 457 Frequency Doubled Nd:YAG (blue) 473 Krypton Ion (Kr+, blue) 476 Argon Ion (Ar+, green-blue) 488 Xenon (Xe, green-blue) 499 Copper Vapor (Cu, green) 510 Argon Ion (Ar+, green) 514 Xenon (Xe, green) 526 Krypton Ion (Kr+, green) 528 Frequency Doubled Nd:YVO4 (green) 532 Frequency Doubled Nd:YAG (green) 532
Laser Medio Longitu de onda (nm)Xenon (Xe, green) 541Helium-Neon (HeNe, green) 543 Helium-Mercury (HeHg, green) 567 Krypton Ion (Kr+, yellow-green) 568 Copper Vapor (Cu, yellow) 578 Helium-Neon (HeNe, yellow) 594 Helium-Neon (HeNe, orange) 612 Helium-Mercury (HeHg, red-orange) 615Gold Vapor (Au, orange-red) 627 Helium-Neon (HeNe, ornage-red) 633 Krypton Ion (Kr+, red) 647 Alexandrite (red-NIR) 655-815 Gallium Aluminum Arsenide (GaAlAs) 670-830 Chromium:Sapphire (Ruby, Cr:AlO3, red) 694 Cr:LiSAF (Cr:LiSrAlF6, NIR) 780-920 Gallium Arsenide (NIR) 840 Titanium:Sapphire (NIR) 840-1,100 Neodymium:YVO4 (Nd:YV04, NIR) 914 Neodymium:YAG (Nd:YAG, NIR) 946 Ytterbium:KGW (Yb:KGW, NIR) 1,025-1,045 Ytterbium:YAG (Yb:YAG, NIR) 1,031 Neodymium:YLF (Nd:YLF, NIR) 1,053 Chromium,Neodymium:GSGG (NIR) 1,061 Neodymium:LSB (Nd:LSB, NIR) 1,062 Neodym.,Chromium:LSB (Nd,Cr:LSB) 1,062
Laser Medio Longitud de Onda (nm)Neodymium:YAG (Nd:YAG, NIR) 1,064 Neodymium:YVO4 (Nd:YV04, NIR) 1,064 Neodymium:KGW (Nd:KGW, NIR) 1,067 Helium-Neon (HeNe, NIR) 1,152 Neodymium:YAG (Nd:YAG, NIR) 1,330 Erbium:Glass (NIR) 1,540 Thulium:YAG (Tm:YAG, MIR) 2,008-2,018 Chromium,Thulium:YAG (Cr,Tm:YAG, MIR) 2,010 Thulium:LuAG (Tm:LuAG, MIR) 2,020-2,030 Thulium,Holmium:YLF (Tm,Ho:YLF, MIR) 2,047-2,059 Holmium:YLF (Ho:YLF, MIR) 2,060 Chromium,Thulium,Holmium:YAG (Cr,Tm,Ho:YAG, MIR) 2,090 Holmium:YAG (Ho:YAG, MIR) 2,100 Hydrogen Fluoride (HF, MIR) 2,700 Erbium:YAG (Er:YAG, MIR) 2,940 Helium-Neon (HeNe, MIR) 3,391 Deuterium Fluoride (DF, MIR) 3,600-4,200 Carbon Dioxide (CO2, FIR) 9,600 Carbon Dioxide (CO2, FIR) 10,600 Notas:1.NUV = Near-UV, NIR = Near-IR, MIR = Mid-IR, FIR = Far-IR. 2.KGW = Potassium Gandolinium Tungstate, KGd(WO4)2. 3.YAG = Yttrium Aluminum Garnet. 4.YLF = Yttrium Lithium Fluoride.
Empresas proveedoras de láseres
www.coherent.com www.continuumlasers.com
www.spectra-physics.com www.lambdaphysik.com
Existen innumerables más…
I. Láseres Gaseosos
Láseres Gaseosos
-Vis-NIR: láser de He-Ne- FIR: Láser de CO2
UV-vis-NIR: Láser de ión Ar+, Kr+
UV, VUV: Láseres de F2 , N2 y H2
vis: Láseres de vapores cobre y oroUV: Láser de He-Cd
UV: Láser Excimer (XeCl, KrF, ArF, …)Láseres químicos
-MIR: Láseres de HCN y H2O- FIR: Láseres de NH3 y C2H2
- Primer láser gaseoso en ser desarrollado y primer láser contínuo
- Su uso hoy día es generalizados
- Comercialmente los láseres de He-NeSon desarrollados a cinco longitudes de onda en el visible y el infrarrojo.
- Baja potencia, haz Gausseano
- Requiere de poco enfriamiento
- Aplicaciones en interferometría, microscopia, citometria.
Láser de He-Ne
Representación esquemática de la descarga
cátodo
ánodo
X+
X+
X+
X*
X*
X
X
X*
—
+ Gas buffer
X*
X*
X
X
X
X
XX
X
Xe-
e-e-
e-
e-
e- e-
X*
X*
parámetros- Estabilidad de la
descarga- Densidad
electrónica
Características de láseresDe He-Ne comerciales
metaestable
2p5 5s
2p5 4s
2p5 4p
3p
3s
2p61s2
1s 2s- Mecanismo Láser basadoen excitación electrónica de átomos de He en unadescarga cw seguida por transferencia de energía a átomos de Ne.
- Descargas Típicas 1-3 kV, Te=8 104 K (10 eV)- Gas buffer 5:1 mixture of 3He:Ne a 4 torr- 3He incrementa la eficiencia debido a una mejora en la Velocidad de transferencia de energía
- Alta potencia - Compite con el láser de Nd:YAG en Aplicaciones relacionadas conProcesamiento de materiales- 20% de conversión energía eléctrica-óptica- 200 transiciones discretas en el intervalode 8-18µm- Mayor utilidad en las dos bandas centradas en 9.4µm y 10.4µm- Línea más empleada 10.6 µm- frecuencia de repetición limitada porEl mecanismo de excitación
Láser de CO2
Modos Vibracionales del CO2
1) Descarga eléctrica-Excitación vibracional del N2(ν=1-8)Relajación eficiente a N2(ν=1) que es metaestble2) Excitación cuasi-resonante del CO2(ν3=1) (tensión asimétrica)3) Transición láser centrada en 10.4 µm (ν3→ν1) y 9.4 µm (ν3→ν2)4) De-población del más bajo nivel láser por desactivación colisional
Excitación N2(ν =1-8) Por impacto de electrones
N2CO2
1
2
3
4
metastable
Líneas láser del CO2
Bandad 9.4 Banda 10.4
Principales transiciones láser del CO2 con resolución rotacional
enfriamiento
P(20)
- Eficiencia excitación y la transferencia de energía- Eficiencia en el enfriamiento del gas para evitar la poblacióntérmica- El Helio actúa como gas de enfriamiento
tuning
descarga
cooling
Mezcla típica(Xe):He:N2:CO2
Láseres de CO2 modernos- Electrodo Planos,- Descargas de radio-frecuencias - Mezcla puestas en guías de onda- configuración de arreglos(array configurations)
Ejemplo de maquinado y corte sobre acero con un láser de CO2
Láseres de vapor de Cu y Au
3d104p
5d106s
- Basado en la excitaciónpor descarga sobre átomosneutros de los vapores deun metal
- La excitación 2P es la más efectiva debido su alta sección eficaz del orbital 4s comparado con el 3d
- El decaimiento espontáneode 2P a 2D es lento
3d94s2
3d104s
/
Tubo de descarga del láser de vapor de Cu
- Descarga- gas buffer: Ne a 20-200mbar - 0.5-3% de H2 agregado para mejorar la eficiencia- Temperatura de 1500oC para producir P(Cu)=0.3 mbar- Reemplazos y limpieza a las 1000 horas de trabajo
láser de vapor de Cu (resumen)- Eficiecia de excitación por encima del 1%- Adición de ∼0.5% H2 mejora la potencia y la calidad del haz láser - El empleo de haluros de cobre (CuCl, CuBr) en lugar de cobre metálico permite bajas temperaturas de operación (500-600oC).- Los láseres basados en los haluros de cobre trabajan con ciclos de dosDescargas pulsadas a altas frecuencias. El primer pulso origina disociaciónDel haluro y el segundo bombea los átomos de Cu al nivelexcitado láser.
Láser de Metal-vapor: El Láser de He-Cd
- El Láser cw de He-Cd es el láser de este tipo más ampliamente usado
- Comercialmente: longitudes de onda a 441.6nm (fuerte), 354nm (débil) y 325 nm
- la acción láser ocurre por la transición del ión Cd+
- el estado meta-estable He(1s2s) induce ionización penning delCd a los estados electrónicos 2D5/2, 2D3/2. - La ionización Penning domina sobre la excitación directa de los iones Cd+ y sobre la fotoionización directa del Cd.
- Aplicaciones en litografía, impresión, CD, citometríafluorescencia (325 nm).
Mecanismo de excitación del láser de He-Cd
Cd+
Cd+
Cd
Tubo de descarga del láser de He-Cd
Fuente de Cd calentada a 260oC(1-2 g, para 5000 horas)
Láser de ión de Ar+ y Kr+
- Láser CW con emisión en el UV, visible y NIR- Comercial: láseres con potencias de 1-25W en el visible (450-530nm) y de 1-3 W en el UV (229-363nm), aunque han sido potencias de hasta 100 W.- Hay láseres multilíneas y única-línea- El tubo de descarga es el elemento más costoso: vida media de3000-7000 hr.
-En aplicaciones científicas han sido tradicionalmente utilizados Como fuentes de bombeo de láseres de Ti:zafiro y láseres decolorantes. - Otras aplicaciones: holografía, impresión, imágenes digital, CD DVD-master, microscopía confocal.
Ar+(4p)
Ar+(3p5)
Ar+(3p6)
Ar+(4s)
Láser de Ion de Ar+ y Kr+
Ejemplo de un láser comercial de ión de Ar
Parámetros de operación:Ar a presión de 0.5 torr, corriente 100-300 A/cm2, temperatura electrónica 2-8 104 K
metastable
metastable
Potencias de saliday longitudes de onda de láseres
de ión Arcomerciales
Potencias de saliday longitudes de onda de láseres
de ión Krcomerciales
Láser Excimer
- Los láseres excimer son los más poderosos láseres en la región UV
- Líneas de emisión XeF (351 y 353 nm), XeCl (308 nm),KrF (248 nm), ArF (193nm)
- Su operación está basada en la formación y descom-posición radiativa de un excitado dimero de gas noble-halógeno (excimers)
Transiciones en el láser excimer
XeF profundidad1065 cm-1
Esquema de formación del Excimero
- El dimero excitado puede ser formado por un haz de electroneso por una descarga sobre una mezcla de gases a alta presión
- La descarga es menos eficiente (4%) pero más simple
- Descarga a alta presión (2-5 bar): 90% buffer (He,Ne,Ar), <10% gas noble donor (Ar,Kr,Xe) y 1% halógeno (HCl,Cl2,F2, NF3)
- El excimero de una cadena de reacciones que involucran transferencia de carga y recombinación
- Es requerido que la mezcla de gas sea de muy alta pureza, se debe prevenir la pasivación de los electrodos
Descripción Simple de las rutas para la formación del excimero
- Los dimeros excitados y iónicos son formados por colisiónelectrónica a través de dos rutas principales
X: átomo buffer (He, Ne Ar), Y: gas noble donor (Ar,Kr,Xe), Z: átomo de halógeno (Cl, F), ZM: precursor halógenoRuta Meta-estable: domina en la descarga (electrones baja energía)
a) X* + 2X → X2* + X b) X2* + Y → 2X + Y*, c) Y* + ZM → YZ* + M
Ruta Iónica: domina en bombeo “e-beam”a) X+ + 2X → X2
+ + X and Z2 + e- → Z- + Zb) X2
+ + Y → 2X + Y+, c) Y+ + Z- + X → YZ* + X
“Quenching”: YZ* + Z(o X)→ Y+Z+Z(o X) o YZ* + Y + X → Y2Z* + X“Quenching” depende de la composición de la mezcla, velocida de ns
Láser de N2
Pum
p(f
avou
red
by F
-C f
acto
r)
eV- Bombe a alto campo (10kV/cm)Descarga pulsada sobre una mezcla de gas 5-10% N2 en 1 barHe
-Alta ganancia, potencia arribade 1 MW en pulsos de ns- Eficiente excitación directa de N2
al estado C debido favorable factor de Franck-Condon
- 337.1 nm (débiles entre 337-406 nm)
-337.1 nm es usada en bombeo deláser de colorante, espectroscopiay desorción (MALDI)
II. Láser de Estado Sólido
Láser de Estado Sólido
-Láser de iones de metales de transición (Cr3+, Ti3+, etc)
- Láser de Lantanidos: Nd3+ -, Serie Lantánida (Dy3+, Ho3+, Er3+, Tm3+)
- Láser Centro-Color
Ejemplo: Láser del ión Cr3+
Cr3+ impurezaOcupa un sitio en los octahedrosDe un cristal inorgánico de Al
Ruby (zafiro)Al2O3, 694.3 nm.
AlexandritaBeAl2O4, 700-826 nm
Granate (Garnet)Gd3Sc2Al3O12, 750-840 nm
Esmeralda (Emerald)Be3Al2(SiO3)6, 750-760 nm
ColquiriitaLiCaAlF6, 720-840 nmLiSrAlF6, 760-1010 nm
Typical impurityconcentration0.1% in weight
Láser de estado sólido-ión metálico: Cristal anfitrión + Ión metálico-impureza
2D’ (más alto)Términos electrónico LSDel ión libre Cr3+
2G
2F
4P
2H, 2P2D3d3
4F
, 2Ppara Cr3+
B = 918 cm-1
C = 4133 cm-1
Configuración octaédrica del cristal Cr3+
Ligand-field splitting of d electrons
dxy dyz dzx
dz2 dx2-y2
dx2-y2dz2
dzxdyzdxy
10Dq
Desdoblamiento Campo Cristal de
niveles electrónicos del Cr3+
Interacciones y niveles electrónicos del Cr3+ en una campo cristal octaédrico
Desdoblamiento campo cristal de los términos LS en Cr3+
Crystal field, Dq/B
Ener
gy, E
/B
4F
4P
2G
2F
4A2
2E2T1
2T2
4T2
4T1
2A1
4T12A2 El campo cristal
depende del anfitrión y La distancia metal-ligando
Campo cristal débilTransición 4A2 ⇔ 4T2
- Cambio de configuraciónt2g → eg
-Afectada posición de equilibrio en
la red cristalina - Banda de emisión ancha
- Sensible al campo
Campo cristal fuerteTransición 4A2 ⇔ 2E
Emisión estrechaInsensible al campo
strongfield
weakfield
Q Q Q
nivelesvibracionales
de la red
Emisión de líneas estrechas: Modelo de campo fuerte y esquema de tres niveles
Láser de Rubí
trasferencia de Energíano-radiativa
694.3 nm
Láser de Rubí- Zafiro Al2O3 dopado con Cr3+-doped- Cristal en forma de cilindros de 3-25 mm de diámetro y20 cm de longitud
- Excelente propiedades mecánicas, química y térmica- Conductividad térmica de 42 W/mK- Emite una línea estrecha en el visible (694.3 nm).- El estado excitado más bajo es 2E (el estado 4T2 está a 2300 cm-1 ) con tiempo de vida media de 3 ms. - Aplicaciones: holografía, interferometría, pruebas no Destructivas, LIDAR, medicas (cosmética dermatología, remoción de tatuajes
160 mW175 mW