Láser de tinte

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 una gama mucho más amplia de longitudes de onda, que a menudo abarca 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 desde 635 nm (rojo anaranjado) a 560 nm (amarillo verdoso) y produce pulsos tan cortos como 16 femtosegundos. Además, el tinte se puede sustituir por otro tipo para generar una gama aún más amplia de longitudes de onda con el mismo láser, desde el infrarrojo cercano hasta el ultravioleta cercano, aunque esto suele requerir sustituir también otros componentes ópticos del láser. como espejos dieléctricos o láseres de bomba.

Los láseres de colorante fueron descubiertos de forma independiente por P. P. Sorokin y F. P. Schäfer (y colegas) en 1966.

In addition to the usual liquid state, dye lasers are also available as solid state dye laser (CSDL). These SSDL lasers use dye-doped organic matrices as gain medium.

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 de un rotulador resaltador. El tinte se mezcla con un disolvente compatible, lo que permite que las moléculas se difundan uniformemente por todo el líquido. La solución de tinte se puede hacer circular a través de una celda de tinte o transmitirse 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. Para ello se suele utilizar un tubo de flash de descarga rápida o un láser externo. También se necesitan espejos para hacer oscilar la luz producida por la fluorescencia del tinte, que se amplifica con cada paso a través del líquido. El espejo de salida normalmente refleja alrededor del 80%, mientras que todos los demás espejos suelen reflejar más del 99,9%. La solución de tinte generalmente se hace circular a altas velocidades, para ayudar a evitar la absorción triplete y disminuir la degradación del tinte. Generalmente se monta un prisma o una 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, existen multitud de configuraciones diferentes que se pueden utilizar. Para los láseres bombeados con tubo de destello se suele utilizar una cavidad láser Fabry-Pérot, 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 suele estar refrigerada por agua para evitar el choque térmico en el tinte causado por las grandes cantidades de radiación infrarroja cercana que produce el tubo de flash. 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 bombeados coaxialmente tienen una celda de tinte 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 bombeados por flash solo se pueden utilizar para aplicaciones de salida pulsada.

A menudo se elige un diseño de láser de anillo para funcionamiento continuo, aunque a veces se utiliza un diseño de Fabry-Pérot. En un láser de anillo, los espejos del láser están colocados para permitir que el haz viaje en una trayectoria circular. La celda de tinte, o cubeta, suele ser muy pequeña. A veces se utiliza un chorro de tinte para ayudar a evitar pérdidas por reflexión. El tinte generalmente se bombea con un láser externo, como un láser de nitrógeno, excímero o Nd:YAG de frecuencia duplicada. El líquido circula a velocidades muy altas, para evitar que la absorción triplete corte el haz. 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.

Operación

Los tintes utilizados en estos láseres contienen moléculas orgánicas bastante grandes que son fluorescentes. La mayoría de los tintes tienen un tiempo muy corto entre la absorción y la emisión de luz, denominado vida útil de la fluorescencia, que suele ser del orden de unos pocos nanosegundos. (En comparación, la mayoría de los láseres de estado sólido tienen una vida útil de fluorescencia que oscila entre cientos de microsegundos y unos pocos milisegundos). En condiciones estándar de bombeo de láser, las moléculas emiten su energía antes de que pueda acumularse 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 puede "invertirse", cambiando rápidamente del útil y rápido "singlete" estado al "triplete" estado.

La luz entrante excita las moléculas de tinte hasta dejarlas listas para emitir radiación estimulada; el estado singlete. En este estado, las moléculas emiten luz mediante fluorescencia y el tinte es transparente a la longitud de onda del láser. En un microsegundo o menos, las moléculas cambiarán a su estado triplete. En el estado triplete, la luz se emite mediante fosforescencia y las moléculas absorben la longitud de onda del láser, lo que hace que el tinte sea parcialmente opaco. Los láseres bombeados por lámparas de destello necesitan un destello con una duración extremadamente corta para entregar las grandes cantidades de energía necesarias para que el tinte supere el umbral antes de que la absorción triplete supere la emisión singlete. Los láseres de tinte con una bomba láser externa 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 tripletes fuera de la trayectoria del haz. Debido a su alta absorción, la energía de bombeo a menudo puede concentrarse en un volumen de líquido bastante pequeño.

Dado que los tintes orgánicos tienden a descomponerse bajo la influencia de la luz, la solución de tinte normalmente circula desde un depósito grande. La solución de tinte puede fluir a través de una cubeta, es decir, un recipiente de vidrio, o ser como un chorro de tinte, es decir, como una corriente en forma de lámina al aire libre desde una boquilla de forma especial. Con un chorro de tinte se evitan pérdidas por reflexión de las superficies de vidrio y 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 haz sólo necesita realizar unas pocas pasadas a través del líquido para alcanzar la potencia máxima de diseño y, por 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 del 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 otro modo de un material que no reflejará la longitud de onda del láser, pero sí lo hará en la longitud de onda de la bomba.

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 reflejada/transmitida) o al rendimiento cuántico (número de fotones emitidos por número absorbido), sino de 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 se encuentran muy cerca de los centros de emisión. A veces, los dos están lo suficientemente cerca como para que el perfil de absorción se superponga ligeramente al perfil de emisión. Como resultado, la mayoría de los tintes presentan cambios de Stokes muy pequeños y, en consecuencia, permiten menores pérdidas de energía 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 por ejemplo desde un tubo de flash. También permite utilizar una amplia gama de láseres de bombeo para cualquier tinte determinado y, a la inversa, se pueden usar muchos tintes diferentes con un solo láser de bombeo.

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  Una cuvette usada en un láser de tinte. Se pasa una lámina delgada de líquido entre las ventanas a altas velocidades. Las ventanas están fijadas en el ángulo de Brewster (interfaz de aire a cristal) para el láser de la bomba, y en el ángulo de Brewster (interfaz de líquido a vidrio) para el haz emitido.

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  Las estufas cambian en Rhodamine 6G durante la absorción de banda ancha/emisión. En el funcionamiento del láser, el cambio de Stokes es la diferencia entre la longitud de onda de la bomba y la salida.

Láseres de tinte CW

Los láseres de tinte de onda continua (CW) suelen utilizar un chorro de tinte. Los láseres de colorante CW pueden tener una cavidad lineal o anular y constituyeron la base para el desarrollo de los láseres de femtosegundo.

Láseres de colorante de ancho de línea estrecho

Láseres de tinte' La emisión es inherentemente amplia. Sin embargo, la emisión sintonizable de ancho de línea estrecho ha sido fundamental para el éxito del láser de colorante. Para producir una sintonización de ancho de banda estrecho, estos láseres utilizan muchos tipos de cavidades y resonadores que incluyen rejillas, prismas, disposiciones de rejillas de múltiples prismas y etalones.

El primer láser de colorante de ancho de línea estrecho, presentado por Hänsch, utilizó un telescopio galileano como expansor del haz para iluminar la rejilla de difracción. Los siguientes fueron los diseños de rejillas de incidencia rasante y las configuraciones de rejillas de prismas múltiples. 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. Duarte y Piper explicaron la física de los láseres de rejilla de prismas múltiples de ancho de línea estrecho.

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, 450–470 nm), tetraceno, verde de malaquita y otros. Si bien algunos colorantes se utilizan en colorantes alimentarios, la mayoría de los colorantes son muy tóxicos y, a menudo, cancerígenos. 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 tenderán a centrarse en una determinada longitud de onda y disminuirán hacia cada lado, formando una curva de sintonizabilidad, 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 cualquier lado de esta longitud de onda.

Se puede utilizar una amplia variedad de solventes, aunque la mayoría de los tintes se disolverán mejor en algunos solventes 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 tanto, sobre el ancho de banda y la potencia del láser que se pueden obtener con una fuente de bombeo láser particular..

Adamantano se añade a algunos tintes para prolongar su vida.

Se pueden agregar cicloheptatrieno y ciclooctatetraeno (COT) como inhibidores tripletes de rodamina G, lo que aumenta la potencia de salida del láser. Se logró una potencia de salida de 1,4 kilovatios a 585 nm utilizando rodamina 6G con COT en una solución de metanol y agua.

Láseres de excitación

Se pueden utilizar lámparas de destellos y varios tipos de láseres para bombear ópticamente láseres de tinte. Una lista parcial de láseres de excitación incluye:

• Láseres de vapor de cobre
• Diode lasers
• láseres excimer
• Láseres Nd: YAG (principalmente segundo y tercero armónicos)
• Láseres de nitrógeno
• Ruby lasers
• Láseres de iones Argon en el régimen CW
• Láseres Krypton ion en el régimen CW

Impulsos ópticos ultracortos

R. L. Fork, B. I. Greene y C. V. Shank demostraron, en 1981, la generación de pulsos láser ultracortos utilizando un láser de tinte anular (o láser de tinte que explota el bloqueo del modo de pulso en colisión). Este tipo de láser es capaz de generar pulsos láser de ~ 0,1 ps de duración.

La introducción de técnicas de rejilla y compresores de pulsos prismáticos dentro de la cavidad 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 en longitudes de onda, estos láseres pueden ofrecer energías pulsadas muy grandes o potencias medias muy altas. Se ha demostrado que los láseres de tinte bombeados con lámparas de destello producen cientos de julios por pulso y se sabe que los láseres de tinte bombeados con láser de cobre producen potencias promedio en el régimen de kilovatios.

Los láseres de tinte se utilizan en muchas aplicaciones, entre ellas:

• astronomía (como estrellas guía láser),
• atómico vapor láser isótopo separación
• fabricación
• Medicina
• espectroscopia

En la medicina láser, estos láseres se aplican en varias áreas, incluida la dermatología, donde se utilizan para uniformar el tono de la piel. 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 estrecho ancho de banda 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 para otras aplicaciones.

En espectroscopía, los láseres de colorante se pueden utilizar para estudiar los espectros de absorción y emisión de diversos materiales. Su capacidad de sintonización (desde el infrarrojo cercano hasta el ultravioleta cercano), su estrecho ancho de banda y su alta intensidad permiten una diversidad mucho mayor que otras fuentes de luz. La variedad de anchos de pulso, desde pulsos ultracortos de femtosegundos hasta operación 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 experimentos de alcance con láser lunar.

Los láseres sintonizables se utilizan en metrología de frecuencia de barrido para permitir la medición de distancias absolutas con una precisión muy alta. Se instala 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 puede detectarse y usarse para determinar la diferencia absoluta entre las longitudes de los dos brazos.