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) 541 Helium-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) 615 Gold 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 oro UV: Láser de He-Cd UV: Láser Excimer (XeCl, KrF, ArF, …) Láseres químicos -MIR: Láseres de HCN y H2O - FIR: Láseres de NH3 y C2H2 Láser de He-Ne - Primer láser gaseoso en ser desarrollado y primer láser contínuo - Su uso hoy día es generalizados - Comercialmente los láseres de He-Ne Son 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. Representación esquemática de la descarga ánodo + X X X X* eX+ e- X* eX — X X* X X* X eX* X + X e + X e- X* e- X* X X cátodo Gas buffer parámetros - Estabilidad de la descarga - Densidad electrónica 2p5 5s 1s 2s 2p5 metaestable 2p5 4s 4p 3p 3s 1s2 2p6 - Mecanismo Láser basado en excitación electrónica de átomos de He en una descarga cw seguida por transferencia de energía a átomos de Ne. Características de láseres De He-Ne comerciales - 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 Láser de CO2 - Alta potencia - Compite con el láser de Nd:YAG en Aplicaciones relacionadas con Procesamiento de materiales - 20% de conversión energía eléctrica-óptica - 200 transiciones discretas en el intervalo de 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 por El mecanismo de excitación Modos Vibracionales del CO2 1) Descarga eléctrica-Excitación vibracional del N2(ν=1-8) Relajación eficiente a N2(ν=1) que es metaestble 2) 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 2 metastable 3 1 4 CO2 N2 Líneas láser del CO2 Bandad 9.4 Banda 10.4 Principales transiciones láser del CO2 con resolución rotacional P(20) enfriamiento - Eficiencia excitación y la transferencia de energía - Eficiencia en el enfriamiento del gas para evitar la población térmica - El Helio actúa como gas de enfriamiento Mezcla típica (Xe):He:N2:CO2 descarga cooling tuning 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 - Basado en la excitación por descarga sobre átomos neutros de los vapores de un metal - La excitación 2P es la más efectiva debido su alta sección eficaz del orbital 4s comparado con el 3d - El decaimiento espontáneo de 2P a 2D es lento 3d94s2 3d104s 5d106s / 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 dos Descargas pulsadas a altas frecuencias. El primer pulso origina disociación Del 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 del Cd 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, citometría fluorescencia (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 de 3000-7000 hr. -En aplicaciones científicas han sido tradicionalmente utilizados Como fuentes de bombeo de láseres de Ti:zafiro y láseres de colorantes. - Otras aplicaciones: holografía, impresión, imágenes digital, CD DVD-master, microscopía confocal. Láser de Ion de Ar+ y Kr+ Ar+(4p) Ar+(4s) Ar+(3p5) Ar+(3p6) 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 salida y longitudes de onda de láseres de ión Ar comerciales Potencias de salida y longitudes de onda de láseres de ión Kr comerciales 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 descomposición radiativa de un excitado dimero de gas noble-halógeno (excimers) Transiciones en el láser excimer XeF profundidad 1065 cm-1 Esquema de formación del Excimero - El dimero excitado puede ser formado por un haz de electrones o 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 colisión electrónica 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 halógeno Ruta 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- + Z b) 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 http://www.lambdaphysik.com - Bombe a alto campo (10kV/cm) Descarga pulsada sobre una mezcla de gas 5-10% N2 en 1 bar He -Alta ganancia, potencia arriba de 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 de láser de colorante, espectroscopia y desorción (MALDI) eV Pump (favoured by F-C factor) Láser de N2 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 Láser de estado sólido-ión metálico: Cristal anfitrión + Ión metálico-impureza Ruby (zafiro) Ejemplo: Láser del ión Cr3+ Al2O3, 694.3 nm. Cr3+ impureza Ocupa un sitio en los octahedros Alexandrita De un cristal inorgánico de Al BeAl2O4, 700-826 nm Granate (Garnet) Gd3Sc2Al3O12, 750-840 nm Typical impurity concentration 0.1% in weight Esmeralda (Emerald) Be3Al2(SiO3)6, 750-760 nm Colquiriita LiCaAlF6, 720-840 nm LiSrAlF6, 760-1010 nm 2D’ (más alto) Términos electrónico LS Del ión libre Cr3+ 2F 2D 2H, 2P 2G 3d3 4P 4F , 2P para Cr3+ B = 918 cm-1 C = 4133 cm-1 Desdoblamiento Campo Cristal de niveles electrónicos del Cr3+ Configuración octaédrica del cristal Cr3+ Ligand-field splitting of d electrons dxy dyz dz2 dzx dx2-y2 dz2 dx2-y2 10Dq dxy dyz dzx Interacciones y niveles electrónicos del Cr3+ en una campo cristal octaédrico Desdoblamiento campo cristal de los términos LS en Cr3+ Energy, E/B 2A 2 2A Campo cristal débil Transición 4A2 ⇔ 4T2 - Cambio de configuración 4T t2g → eg 2 -Afectada posición de 2T 2 equilibrio en la red cristalina 2T 1 - Banda de emisión ancha 2E - Sensible al campo 2G 4F 1 4T 1 2F 4P El campo cristal depende del anfitrión y La distancia metal-ligando 4T 1 weak strong field field Crystal field, Dq/B 4A 2 Campo cristal fuerte Transición 4A2 ⇔ 2E Emisión estrecha Insensible al campo niveles vibracionales de la red Q Q Q Emisión de líneas estrechas: Modelo de campo fuerte y esquema de tres niveles Láser de Rubí trasferencia de Energía no-radiativa 694.3 nm Láser de Rubí - Zafiro Al2O3 dopado con Cr3+-doped - Cristal en forma de cilindros de 3-25 mm de diámetro y 20 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 mW 175 mW