Un láser de tinte es un láser que utiliza un tinte orgánico como medio láser , generalmente como una solución líquida . En comparación con los gases y la mayoría de los medios láser de estado sólido , un tinte generalmente se puede usar para un rango mucho más amplio de longitudes de onda , que a menudo abarcan de 50 a 100 nanómetros o más. El amplio ancho de banda los hace especialmente adecuados para láseres sintonizables y láseres pulsados. El tinte rodamina 6G, por ejemplo, se puede ajustar de 635 nm (rojo anaranjado) a 560 nm (amarillo verdoso) y producir pulsos tan cortos como 16 femtosegundos. [1]Además, el tinte puede ser reemplazado por otro tipo para generar un rango aún más amplio de longitudes de onda con el mismo láser, desde el infrarrojo cercano al ultravioleta cercano, aunque esto generalmente requiere reemplazar otros componentes ópticos en el láser también. como espejos dieléctricos o láseres de bomba.
Los láseres de colorante fueron descubiertos de forma independiente por PP Sorokin y FP Schäfer (y sus colegas) en 1966. [2] [3]
Además del estado líquido habitual, los láseres de colorante también están disponibles como láseres de colorante de estado sólido (SSDL). Los SSDL utilizan matrices orgánicas dopadas con colorante como medio de ganancia.
Construcción
Un láser de tinte utiliza un medio de ganancia que consiste en un tinte orgánico , que es un tinte soluble a base de carbono que a menudo es fluorescente, como el tinte en un rotulador resaltador . El colorante se mezcla con un compatible disolvente , permitiendo que las moléculas de difunden de manera uniforme por todo el líquido. La solución de tinte se puede hacer circular a través de una celda de tinte o se puede hacer fluir al aire libre usando un chorro de tinte. Se necesita una fuente de luz de alta energía para "bombear" el líquido más allá de su umbral láser . Por lo general, se utiliza un tubo de flash de descarga rápida o un láser externo para este propósito. También se necesitan espejos para hacer oscilar la luz producida por la fluorescencia del tinte, que se amplifica con cada pasada a través del líquido. El espejo de salida es normalmente reflectante en torno al 80%, mientras que todos los demás espejos suelen ser reflectantes en más del 99,9%. La solución de tinte generalmente se hace circular a altas velocidades, para ayudar a evitar la absorción de tripletes y disminuir la degradación del tinte. Generalmente se monta un prisma o rejilla de difracción en la trayectoria del haz para permitir la sintonización del haz.
Debido a que el medio líquido de un láser de tinte puede adaptarse a cualquier forma, hay una multitud de configuraciones diferentes que se pueden utilizar. Una cavidad láser Fabry-Pérot se usa generalmente para láseres bombeados por tubo de destello, que consta de dos espejos, que pueden ser planos o curvos, montados paralelos entre sí con el medio láser en el medio. La celda de tinte es a menudo un tubo delgado de aproximadamente la misma longitud que el tubo de flash, con ambas ventanas y una entrada / salida para el líquido en cada extremo. La celda de tinte generalmente se bombea lateralmente, con uno o más tubos de flash que corren paralelos a la celda de tinte en una cavidad reflectora. La cavidad del reflector a menudo se enfría con agua, para evitar el choque térmico en el tinte causado por las grandes cantidades de radiación del infrarrojo cercano que produce el tubo de destello. Los láseres de bombeo axial tienen un tubo de destello hueco de forma anular que rodea la celda de tinte, que tiene una inductancia más baja para un destello más corto y una eficiencia de transferencia mejorada. Los láseres de bombeo coaxial tienen una celda de colorante anular que rodea el tubo de destello, para una eficiencia de transferencia aún mejor, pero tienen una ganancia menor debido a las pérdidas por difracción. Los láseres de bombeo flash se pueden utilizar solo para aplicaciones de salida pulsada. [4] [5] [6]
A menudo se elige un diseño de láser de anillo para un funcionamiento continuo, aunque a veces se utiliza un diseño de Fabry-Pérot. En un láser de anillo, los espejos del láser se colocan para permitir que el rayo viaje en una trayectoria circular. La celda de tinte, o cubeta, suele ser muy pequeña. A veces se usa un chorro de tinte para ayudar a evitar pérdidas por reflexión. El tinte generalmente se bombea con un láser externo, como un nitrógeno , un excímero o un láser Nd: YAG de frecuencia duplicada . El líquido se hace circular a velocidades muy altas, para evitar que la absorción de tripletes corte el haz. [7] A diferencia de las cavidades de Fabry-Pérot, un láser de anillo no genera ondas estacionarias que provocan la quema de agujeros espaciales , un fenómeno en el que la energía queda atrapada en porciones no utilizadas del medio entre las crestas de la onda. Esto conduce a una mejor ganancia del medio láser. [8] [9]
Operación
Los tintes utilizados en estos láseres contienen moléculas orgánicas bastante grandes que emiten fluorescencia. La mayoría de los tintes tienen un tiempo muy corto entre la absorción y la emisión de luz, denominado tiempo de vida de la fluorescencia, que a menudo es del orden de unos pocos nanosegundos. (En comparación, la mayoría de los láseres de estado sólido tienen una vida útil de fluorescencia que va desde cientos de microsegundos hasta unos pocos milisegundos). En condiciones estándar de bombeo de láser, las moléculas emiten su energía antes de que se pueda acumular adecuadamente una inversión de población , por lo que los tintes requieren tintes bastante especializados. medios de bombeo. Los tintes líquidos tienen un umbral de acción láser extremadamente alto . Además, las moléculas grandes están sujetas a complejas transiciones de estado excitado durante las cuales el espín se puede "voltear", cambiando rápidamente del estado útil de "singlete" de emisión rápida al estado de "triplete" más lento. [10]
La luz entrante excita las moléculas de tinte hasta que están listas para emitir radiación estimulada ; el estado singlete . En este estado, las moléculas emiten luz a través de la fluorescencia y el tinte es transparente a la longitud de onda láser. En un microsegundo o menos, las moléculas cambiarán a su estado triplete . En el estado triplete, la luz se emite a través de la fosforescencia y las moléculas absorben la longitud de onda láser, haciendo que el tinte sea parcialmente opaco. Los láseres bombeados por lámpara de destello necesitan un destello con una duración extremadamente corta, para entregar las grandes cantidades de energía necesarias para llevar el tinte más allá del umbral antes de que la absorción triplete supere la emisión singlete. Los láseres de tinte con un láser de bomba externo pueden dirigir suficiente energía de la longitud de onda adecuada al tinte con una cantidad relativamente pequeña de energía de entrada, pero el tinte debe circular a altas velocidades para mantener las moléculas tripletas fuera de la trayectoria del haz. Debido a su alta absorción, la energía de bombeo a menudo se puede concentrar en un volumen bastante pequeño de líquido. [11]
Dado que los tintes orgánicos tienden a descomponerse bajo la influencia de la luz, la solución de tinte normalmente circula desde un depósito grande. [12] La solución de tinte puede fluir a través de una cubeta , es decir, un recipiente de vidrio, o puede ser como un chorro de tinte , es decir, como una corriente en forma de hoja al aire libre desde una boquilla de forma especial . Con un chorro de tinte, se evitan las pérdidas por reflexión de las superficies de vidrio y la contaminación de las paredes de la cubeta. Estas ventajas tienen el costo de una alineación más complicada.
Los tintes líquidos tienen una ganancia muy alta como medio láser. El rayo necesita hacer solo unas pocas pasadas a través del líquido para alcanzar la máxima potencia de diseño y, por lo tanto, la alta transmitancia del acoplador de salida . La alta ganancia también conduce a altas pérdidas, porque los reflejos de las paredes de la celda de tinte o el reflector de la lámpara de destello causan oscilaciones parásitas , reduciendo drásticamente la cantidad de energía disponible para el haz. Las cavidades de la bomba a menudo están recubiertas , anodizadas o hechas de un material que no se reflejará en la longitud de onda del láser mientras se refleja en la longitud de onda de la bomba. [11]
Un beneficio de los tintes orgánicos es su alta eficiencia de fluorescencia. Las mayores pérdidas en muchos láseres y otros dispositivos de fluorescencia no se deben a la eficiencia de transferencia (energía absorbida versus energía reflejada / transmitida) ni al rendimiento cuántico (número de fotones emitidos por número absorbido), sino a las pérdidas cuando los fotones de alta energía son absorbidos y reemitidos. como fotones de longitudes de onda más largas. Debido a que la energía de un fotón está determinada por su longitud de onda, los fotones emitidos serán de menor energía; un fenómeno llamado cambio de Stokes . Los centros de absorción de muchos tintes están muy cerca de los centros de emisión. A veces, los dos están lo suficientemente cerca como para que el perfil de absorción se solape ligeramente con el perfil de emisión. Como resultado, la mayoría de los tintes presentan cambios de Stokes muy pequeños y, en consecuencia, permiten pérdidas de energía más bajas que muchos otros tipos de láser debido a este fenómeno. Los amplios perfiles de absorción los hacen especialmente adecuados para el bombeo de banda ancha, como el de un tubo de flash. También permite utilizar una amplia gama de láseres de bomba para cualquier tinte determinado y, a la inversa, se pueden usar muchos tintes diferentes con un solo láser de bomba. [10]
Una cubeta utilizada en un láser de tinte. Se pasa una fina hoja de líquido entre las ventanas a altas velocidades. Las ventanas se establecen en el ángulo de Brewster (interfaz aire-vidrio) para el láser de la bomba, y en el ángulo de Brewster (interfaz líquido-vidrio) para el haz emitido.
Stokes cambia en rodamina 6G durante la absorción / emisión de banda ancha. En el funcionamiento con láser, el desplazamiento de Stokes es la diferencia entre la longitud de onda de la bomba y la salida.
Láseres de colorante CW
Los láseres de tinte de onda continua (CW) [13] suelen utilizar un chorro de tinte. Los láseres de colorante CW pueden tener una cavidad lineal o anular, y proporcionaron la base para el desarrollo de láseres de femtosegundos.
Láseres de colorante de ancho de línea estrecho
La emisión de láseres de tinte es intrínsecamente amplia. Sin embargo, la emisión sintonizable de ancho de línea estrecho ha sido fundamental para el éxito del láser de tinte. Para producir un ajuste de ancho de banda estrecho, estos láseres utilizan muchos tipos de cavidades y resonadores que incluyen rejillas, prismas, disposiciones de rejillas de prismas múltiples y etalones . [14]
El primer láser de colorante de ancho de línea estrecho , introducido por Hänsch , utilizó un telescopio galileano como expansor de haz para iluminar la rejilla de difracción. [15] Luego fueron los diseños de rejilla de incidencia rasante [16] [17] y las configuraciones de rejilla de prismas múltiples . [18] [19] Los diversos diseños de resonadores y osciladores desarrollados para láseres de tinte se han adaptado con éxito a otros tipos de láser, como el láser de diodo . [20] La física de los láseres de rejilla de prismas múltiples de ancho de línea estrecha fue explicada por Duarte y Piper. [21]
Productos químicos utilizados
Algunos de los tintes láser son rodamina (naranja, 540–680 nm), fluoresceína (verde, 530–560 nm), cumarina (azul 490–620 nm), estilbeno (violeta 410–480 nm), umbeliferona (azul, 450–620 nm). 470 nm), tetraceno , verde malaquita y otros. [22] [23] Si bien algunos tintes se utilizan en colorantes alimentarios, la mayoría de los tintes son muy tóxicos y, a menudo, cancerígenos. [24] Muchos tintes, como la rodamina 6G , (en su forma de cloruro), pueden ser muy corrosivos para todos los metales excepto el acero inoxidable. Aunque los tintes tienen espectros de fluorescencia muy amplios, la absorción y emisión del tinte tenderá a centrarse en una cierta longitud de onda y se reducirá a cada lado, formando una curva de sintonización, siendo el centro de absorción de una longitud de onda más corta que el centro de emisión. La rodamina 6G, por ejemplo, tiene su salida más alta alrededor de 590 nm, y la eficiencia de conversión disminuye a medida que el láser se sintoniza a ambos lados de esta longitud de onda.
Se puede utilizar una amplia variedad de disolventes, aunque la mayoría de los tintes se disuelven mejor en algunos disolventes que en otros. Algunos de los disolventes utilizados son agua , glicol , etanol , metanol , hexano , ciclohexano , ciclodextrina y muchos otros. Los disolventes pueden ser muy tóxicos y, en ocasiones, pueden absorberse directamente a través de la piel o mediante vapores inhalados. Muchos disolventes también son extremadamente inflamables. Los diversos disolventes también pueden tener un efecto sobre el color específico de la solución de tinte, la vida útil del estado singlete, ya sea mejorando o apagando el estado triplete y, por lo tanto, sobre el ancho de banda láser y la potencia obtenible con una fuente de bombeo láser particular. . [10]
Se agrega adamantano a algunos tintes para prolongar su vida.
Se pueden añadir cicloheptatrieno y ciclooctatetraeno (COT) como extintores de tripletes para la rodamina G, aumentando la potencia de salida del láser. Se logró una potencia de salida de 1,4 kilovatios a 585 nm usando rodamina 6G con COT en una solución de metanol-agua.
Láseres de excitación
Se pueden usar lámparas de destellos y varios tipos de láseres para bombear ópticamente láseres de tinte. Una lista parcial de láseres de excitación incluye: [25]
- Láseres de vapor de cobre
- Láseres de diodo
- Láseres excimer
- Láseres Nd: YAG (principalmente segundo y tercer armónico)
- Láseres de nitrógeno
- Láseres de rubí
- Láseres de iones de argón en régimen CW
- Láseres de iones de criptón en régimen CW
Pulsos ópticos ultracortos
RL Fork, BI Greene y CV Shank demostraron, en 1981, la generación de pulso láser ultracorto utilizando un láser de tinte de anillo (o láser de tinte que explota el bloqueo del modo de pulso en colisión ). Este tipo de láser es capaz de generar pulsos de láser de ~ 0,1 ps de duración. [26]
La introducción de técnicas de rejilla y compresores de pulsos prismáticos intracavitarios finalmente dio como resultado la emisión rutinaria de pulsos de láser de colorante de femtosegundos.
Aplicaciones
Los láseres de tinte son muy versátiles. Además de su reconocida agilidad de longitud de onda, estos láseres pueden ofrecer energías pulsadas muy grandes o potencias medias muy altas. Se ha demostrado que los láseres de colorante bombeados por lámpara de destello producen cientos de julios por pulso y se sabe que los láseres de colorante bombeados por láser de cobre producen potencias medias en el régimen de kilovatios. [27]
Los láseres de tinte se utilizan en muchas aplicaciones que incluyen:
- astronomía (como estrellas guía láser ),
- separación de isótopos por láser de vapor atómico [28]
- fabricación [29]
- medicamento
- espectroscopia [30]
En la medicina láser, estos láseres se aplican en varias áreas, [31] [32] incluida la dermatología, donde se utilizan para hacer que el tono de la piel sea más uniforme. La amplia gama de longitudes de onda posibles permite una coincidencia muy cercana con las líneas de absorción de ciertos tejidos, como la melanina o la hemoglobina , mientras que el ancho de banda estrecho que se puede obtener ayuda a reducir la posibilidad de daño al tejido circundante. Se utilizan para tratar las manchas de vino de Oporto y otros trastornos de los vasos sanguíneos, cicatrices y cálculos renales . Se pueden combinar con una variedad de tintas para la eliminación de tatuajes , así como con otras aplicaciones. [33]
En espectroscopia, los láseres de colorante se pueden utilizar para estudiar los espectros de absorción y emisión de varios materiales. Su sintonía (desde el infrarrojo cercano al ultravioleta cercano), ancho de banda estrecho y alta intensidad permite una diversidad mucho mayor que otras fuentes de luz. La variedad de anchos de pulso, desde pulsos ultracortos de femtosegundos hasta el funcionamiento de onda continua, los hace adecuados para una amplia gama de aplicaciones, desde el estudio de la vida útil de los fluorescentes y las propiedades de los semiconductores hasta los experimentos de alcance del láser lunar . [34]
Los láseres sintonizables se utilizan en metrología de frecuencia de barrido para permitir la medición de distancias absolutas con una precisión muy alta. Se configura un interferómetro de dos ejes y, al barrer la frecuencia, la frecuencia de la luz que regresa del brazo fijo es ligeramente diferente de la frecuencia que regresa del brazo de medición de distancia. Esto produce una frecuencia de latido que se puede detectar y utilizar para determinar la diferencia absoluta entre las longitudes de los dos brazos. [35]
Ver también
- Tinte láser
- Láser orgánico
- Láser de colorante de estado sólido
- Láser sintonizable
Referencias
- ^ Principios del láser de tinte: con aplicaciones de Frank J. Duarte, Lloyd W. Hillman - Academic Press 1990 Página 42
- ^ FP Schäfer (Ed.), Láseres de tinte (Springer-Verlag, Berlín, 1990).
- ^ FJ Duarte y LW Hillman (Eds.), Principios del láser de tinte (académico, Nueva York, 1990).
- ^ Diseño y análisis de sistemas de lámparas de destellos para bombeo de láseres de colorantes orgánicos - JF Holzrichter y AL Schawlow. Anales de la Academia de Ciencias de Nueva York
- ^ Sí, TK; Fan, B .; Gustafson, TK (15 de abril de 1979). "Láser de colorante bombeado por lámpara de destello mejorado a fuego lento". Óptica aplicada . La sociedad óptica. 18 (8): 1131–2. Código bibliográfico : 1979ApOpt..18.1131Y . doi : 10.1364 / ao.18.001131 . ISSN 0003-6935 . PMID 20208893 .
- ^ "Directrices generales de diseño de luces estroboscópicas y flash de xenón" . miembros.misty.com . Consultado el 19 de abril de 2018 .
- ^ "Preguntas frecuentes sobre Sam's Laser - Láser de tinte casero" . www.repairfaq.org . Consultado el 19 de abril de 2018 .
- ^ Paschotta, Dr. Rüdiger. "Enciclopedia de física y tecnología láser - quema de agujeros espaciales, SHB, láser, operación de frecuencia única" . www.rp-photonics.com . Consultado el 19 de abril de 2018 .
- ^ Fundamentos del láser por William T. Silfvast - Cambridge University Press 1996 Página 397-399
- ^ a b c http://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/80A/jresv80An3p421_A1b.pdf
- ^ a b "Principios de los láseres", de Orazio Svelto
- ^ FP Schäfer y KH Drexhage, láseres de tinte. , 2da rev. ed., vol. 1, Berlín; Nueva York: Springer-Verlag, 1977
- ^ OG Peterson, SA Tuccio, BB Snavely, "Operación CW de un láser de solución de colorante orgánico", Appl. Phys. Letón. 42 , 1917-1918 (1970).
- ^ FJ Duarte y LW Hillman, Principios del láser de tinte (académico, Nueva York, 1990) Capítulo 4.
- ^ TW Hänsch , Láser de colorante sintonizable pulsado repetidamente para espectroscopia de alta resolución, Appl. Optar. 11 , 895 - 898 (1972).
- ^ I. Shoshan, NN Danon y UP Oppenheim, Operación de banda estrecha de un láser de colorante pulsado sin expansión del haz intracavitario, J. Appl. Phys. 48 , 4495 - 4497 (1977).
- ^ Littman, Michael G .; Metcalf, Harold J. (15 de julio de 1978). "Láser de colorante pulsado espectralmente estrecho sin expansor de haz". Óptica aplicada . La sociedad óptica. 17 (14): 2224–7. Código bibliográfico : 1978ApOpt..17.2224L . doi : 10.1364 / ao.17.002224 . ISSN 0003-6935 . PMID 20203761 .
- ^ Duarte, FJ; Piper, JA (1980). "Un expansor de haz de doble prisma para láseres de colorante pulsado". Comunicaciones ópticas . Elsevier BV. 35 (1): 100-104. Código Bibliográfico : 1980OptCo..35..100D . doi : 10.1016 / 0030-4018 (80) 90368-5 . ISSN 0030-4018 .
- ^ Duarte, FJ; Piper, JA (15 de junio de 1981). "Cavidad de rejilla de incidencia rasante preexpandida de prisma para láseres de colorante pulsado". Óptica aplicada . La sociedad óptica. 20 (12): 2113–6. Código Bibliográfico : 1981ApOpt..20.2113D . doi : 10.1364 / ao.20.002113 . ISSN 0003-6935 . PMID 20332895 .
- ^ P. Zorabedian, Láseres semiconductores de cavidad externa sintonizables, en Manual de láseres ajustables , FJ Duarte (Ed.) (Académico, Nueva York, 1995) Capítulo 8.
- ^ Duarte, FJ; Piper, JA (1982). "Teoría de la dispersión de expansores de haz de prismas múltiples para láseres de colorante pulsado". Comunicaciones ópticas . Elsevier BV. 43 (5): 303–307. Código bibliográfico : 1982OptCo..43..303D . doi : 10.1016 / 0030-4018 (82) 90216-4 . ISSN 0030-4018 .
- ^ Amnon Yariv, Electrónica óptica en las comunicaciones modernas, quinta edición, página 266
- ^ http://www.exciton.com/pdfs/SpecPhys.pdf
- ^ http://www.chemie.unibas.ch/safety/pdf/laser_systems.pdf
- ^ FJ Duarte y LW Hillman (Eds.), Dye Laser Principles (Academic, Nueva York, 1990) Capítulos 5 y 6.
- ^ Tenedor, RL; Greene, BI; Shank, CV (1981). "Generación de pulsos ópticos de menos de 0,1 pseg por bloqueo de modo de pulso en colisión". Letras de Física Aplicada . Publicación AIP. 38 (9): 671–672. Código bibliográfico : 1981ApPhL..38..671F . doi : 10.1063 / 1.92500 . ISSN 0003-6951 . S2CID 45813878 .
- ^ "LÁSERES DE COLOR DE ALTA POTENCIA" . www.tunablelasers.com . Consultado el 19 de abril de 2018 .
- ^ MA Akerman, Separación de isótopos con láser de colorante, en Principios de láser de colorante , FJ Duarte y LW Hillman (eds.) (Académico, Nueva York, 1990) Capítulo 9.
- ^ D. Klick, Aplicaciones industriales de láseres de tinte, en Dye Laser Principles , FJ Duarte y LW Hillman (eds.) (Academic, Nueva York, 1990) Capítulo 8.
- ^ W. Demtröder , espectroscopia láser , 3ª ed. (Springer, 2003).
- ^ L. Goldman, Láseres de tinte en medicina, en Principios de láser de tinte , FJ Duarte y LW Hillman, Eds. (Academic, Nueva York, 1990) Capítulo 10.
- ^ Costela A, García-Moreno I, Gómez C (2016). "Aplicaciones médicas de los láseres de colorantes orgánicos". En Duarte FJ (ed.). Aplicaciones de láser sintonizable (3ª ed.). Boca Ratón: CRC Press . págs. 293–313. ISBN 9781482261066.
- ^ Duarte FJ, ed. (2016). Aplicaciones de láser sintonizable (3ª ed.). Boca Ratón: CRC Press . ISBN 9781482261066.
- ^ La guía láser de Jeff Hecht - McGraw Hill 1992 Página 294
- ^ "Generación de frecuencia de barrido de amplio rango altamente lineal en microondas y frecuencias ópticas" (PDF) . nasa.gov . Archivado desde el original (PDF) el 7 de septiembre de 2012 . Consultado el 19 de abril de 2018 .
enlaces externos
- Medios relacionados con láseres de tinte en Wikimedia Commons