Fundamentos del Láser

Segunda parte: Tipos de Láseres

“Espectroscopia Láser”Enrique Mejía Ospino, emejia@ciencias.uis.edu.co

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 Excimer

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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