El granate de itrio y aluminio ( YAG , Y 3 Al 5 O 12 ) es un material cristalino sintético del grupo de los granates . Es una fase cúbica de óxido de itrio y aluminio , con otros ejemplos como YAlO 3 (YAP [2] ) en forma hexagonal u ortorrómbica, similar a la perovskita , y el monoclínico Y 4 Al 2 O 9 (YAM [3] ). [4]
Debido a su amplia transparencia óptica, [5] baja tensión interna, alta dureza, resistencia química y térmica, el YAG se utiliza para una variedad de ópticas. [6] Su falta de birrefringencia (a diferencia del zafiro) lo convierte en un material interesante para sistemas láser de alta energía/alta potencia. Los niveles de daño láser del YAG oscilaron entre 1,1 y 2,2 kJ/cm 2 (1064 nm, 10 ns). [7]
El YAG, al igual que el granate y el zafiro , no tiene usos como medio láser cuando está puro. Sin embargo, después de ser dopado con un ion apropiado, el YAG se usa comúnmente como material anfitrión en varios láseres de estado sólido . [8] Los elementos de tierras raras como el neodimio y el erbio se pueden dopar en YAG como iones láser activos, produciendo láseres Nd:YAG y Er:YAG , respectivamente. El YAG dopado con cerio (Ce:YAG) se usa como fósforo en tubos de rayos catódicos y diodos emisores de luz blanca , y como centelleador .
El YAG durante un período [ ¿cuándo? ] se utilizó en joyería como un simulador de diamantes y otras piedras preciosas . Las variantes coloreadas y sus elementos dopantes incluyen: [1] verde ( cromo ), azul ( cobalto ), rojo ( manganeso ), amarillo ( titanio ), azul/rosa/violeta ( neodimio , dependiendo de la fuente de luz), rosa y naranja. Como gemas facetadas se valoran (como sintéticas) por su claridad, durabilidad, alto índice de refracción y dispersión , y ocasionalmente propiedades como simular la propiedad de cambio de color de la alejandrita . El ángulo crítico del YAG es de 33 grados. El YAG corta como el granate natural , y el pulido se realiza con alúmina o diamante (grano 50.000 o 100.000) en discos de pulido comunes. El YAG tiene baja sensibilidad al calor. [9]
Como piedra preciosa sintética, el YAG tiene numerosos nombres varietales y comerciales, así como una serie de nombres inapropiados. Los nombres sinónimos incluyen: alexita , amamita , circolita , dia-bud , diamita , diamogem , diamonair , diamone , diamonique , diamonita , diamonte , di'yag , geminair , gemonair , kimberly , diamante simulado Linde , nier-gem , regalair , replique , somerset , triamond , YAIG y granate de itrio . La producción para el comercio de gemas disminuyó después de la introducción de la circonia cúbica sintética ; a partir de 1995, [actualizar]había poca producción. [1] Existe cierta demanda como granate sintético y para diseños en los que el índice de refracción muy alto de la circonia cúbica no es deseable. [ cita requerida ]
El YAG dopado con neodimio ( Nd :YAG ) se desarrolló a principios de la década de 1960, y el primer láser Nd:YAG funcional se inventó en 1964. El neodimio-YAG es el medio láser activo más utilizado en láseres de estado sólido , y se utiliza para todo, desde láseres de onda continua de baja potencia hasta láseres Q-switched (pulsados) de alta potencia con niveles de potencia medidos en kilovatios. [10] La conductividad térmica del Nd:YAG es mayor y su vida útil de fluorescencia es aproximadamente el doble que la de los cristales Nd:YVO 4 , sin embargo, no es tan eficiente y es menos estable, lo que requiere temperaturas controladas con mayor precisión. La mejor banda de absorción del Nd:YAG para bombear el láser está centrada en 807,5 nm y tiene 1 nm de ancho. [11]
La mayoría de los láseres Nd:YAG producen luz infrarroja con una longitud de onda de 1064 nm. La luz con esta longitud de onda es bastante peligrosa para la visión, ya que el cristalino del ojo puede enfocarla sobre la retina , pero la luz es invisible y no desencadena el reflejo de parpadeo . Los láseres Nd:YAG también se pueden utilizar con cristales de duplicación o triplicación de frecuencia para producir luz verde con una longitud de onda de 532 nm o luz ultravioleta a 355 nm, respectivamente.
La concentración de dopante en los cristales de Nd:YAG que se utilizan habitualmente varía entre 0,5 y 1,4 por ciento molar. Se utilizan concentraciones de dopante más altas para láseres pulsados; concentraciones más bajas son adecuadas para láseres de onda continua. El Nd:YAG es de color violeta rosado, y las barras con dopaje más claro tienen un color menos intenso que las que tienen un dopaje más intenso. Dado que su espectro de absorción es estrecho, el tono depende de la luz bajo la que se observa.
El YAG dopado con neodimio y cromo ( Nd:Cr:YAG o Nd/Cr:YAG ) tiene características de absorción superiores a las del Nd:YAG. Esto se debe a que la energía es absorbida por las amplias bandas de absorción del dopante Cr 3+ y luego transferida a Nd 3+ por interacciones dipolo-dipolo. [12] Se ha sugerido que este material se puede utilizar en láseres de bombeo solar , que podrían formar parte de un sistema de satélites de energía solar . [13]
El YAG dopado con erbio ( Er:YAG ) es un medio láser activo que emite rayos láser a 2940 nm. Sus bandas de absorción adecuadas para el bombeo son amplias y se encuentran entre 600 y 800 nm, lo que permite un bombeo eficiente de la lámpara de destellos. La concentración de dopante utilizada es alta: se reemplaza aproximadamente el 50% de los átomos de itrio. La longitud de onda del láser Er:YAG se acopla bien al agua y los fluidos corporales, lo que hace que este láser sea especialmente útil para usos médicos y odontológicos; se utiliza para el tratamiento del esmalte dental y en cirugía estética. El Er:YAG se utiliza para el control no invasivo del azúcar en sangre . Las propiedades mecánicas del Er:YAG son esencialmente las mismas que las del Nd:YAG. El Er:YAG opera en longitudes de onda donde el umbral de daño ocular es relativamente alto (ya que la luz se absorbe antes de golpear la retina ), funciona bien a temperatura ambiente y tiene una alta eficiencia de pendiente . El Er:YAG es rosa. [14]
El YAG dopado con iterbio ( Yb:YAG ) es un medio láser activo que emite láser a 1030 nm, con una amplia banda de absorción de 18 nm de ancho a 940 nm. [15] Es uno de los medios más útiles para láseres de estado sólido bombeados por diodos de alta potencia . Los niveles de dopante utilizados varían entre el 0,2% y el 30% de átomos de itrio reemplazados. El Yb:YAG tiene un calentamiento fraccional muy bajo, una eficiencia de pendiente muy alta , [16] y ninguna absorción o conversión ascendente del estado excitado, alta resistencia mecánica y alta conductividad térmica. El Yb:YAG puede bombearse mediante diodos láser InGaAs confiables a 940 o 970 nm.
Yb:YAG es un buen sustituto de Nd:YAG de 1064 nm en aplicaciones de alta potencia, y su versión de 515 nm con frecuencia duplicada puede reemplazar a los láseres de argón de 514 nm .
El YAG doblemente dopado con neodimio y cerio ( Nd:Ce:YAG o Nd,Ce:YAG ) es un material de medio láser activo muy similar al Nd:YAG. Los átomos de cerio añadidos absorben fuertemente en la región ultravioleta y transfieren su energía a los átomos de neodimio, lo que aumenta la eficiencia de bombeo; el resultado es una menor distorsión térmica y una mayor potencia de salida que el Nd:YAG al mismo nivel de bombeo. La longitud de onda láser, 1064 nm, es la misma que para el Nd:YAG. El material tiene una buena resistencia al daño causado por los rayos UV de la fuente de bombeo y un umbral láser bajo . Por lo general, entre el 1,1 y el 1,4 % de los átomos de Y se reemplazan con Nd y entre el 0,05 y el 0,1 % con Ce.
El YAG triplemente dopado con holmio - cromo - tulio ( Ho:Cr:Tm:YAG , o Ho,Cr,Tm:YAG ) es un material de medio láser activo con alta eficiencia. Su láser se emite a 2080 nm y se puede bombear mediante una lámpara de destellos o un diodo láser. [17] Se usa ampliamente en el ámbito militar, médico y meteorológico. Funciona bien a temperatura ambiente, tiene una alta eficiencia de pendiente y opera a una longitud de onda donde el umbral de daño ocular es relativamente alto. Cuando se bombea mediante un diodo, se puede usar la banda de 785 nm para el ion Tm 3+ . [17] Otras bandas de bombeo principales se encuentran entre 400 y 800 nm. Los niveles de dopante utilizados son 0,35 atómico.% Ho, 5,8 atómico.% Tm y 1,5 atómico.% Cr. Las varillas tienen un color verde, impartido por el cromo (III).
El YAG dopado con tulio ( Tm:YAG ) es un medio láser activo que opera entre 1930 y 2040 nm. Es adecuado para el bombeo de diodos. Un láser Tm:YAG de modo dual emite dos frecuencias separadas por 1 GHz.
El YAG dopado con cromo (IV) ( Cr:YAG ) proporciona una gran sección transversal de absorción en la región espectral de 0,9-1,2 micrómetros, lo que lo convierte en una opción atractiva como conmutador Q pasivo para láseres dopados con Nd. Los dispositivos resultantes son de estado sólido, compactos y de bajo costo. El Cr:YAG tiene un alto umbral de daño, buena conductividad térmica, buena estabilidad química, resiste la radiación ultravioleta y es fácilmente mecanizable. Está reemplazando a materiales de conmutación Q más tradicionales como el fluoruro de litio y los tintes orgánicos . Los niveles de dopante utilizados varían entre 0,5 y 3 por ciento (molar). El Cr:YAG se puede utilizar para la conmutación Q pasiva de láseres que operan en longitudes de onda entre 1000 y 1200 nm, como los basados en Nd:YAG, Nd:YLF , Nd:YVO 4 e Yb:YAG.
El Cr:YAG también se puede utilizar como medio de ganancia láser, produciendo láseres sintonizables con salidas ajustables entre 1350 y 1550 nm. El láser Cr:YAG puede generar pulsos ultracortos (en el rango de los femtosegundos) cuando se bombea a 1064 nm mediante un láser Nd:YAG. [18]
Se ha demostrado que el Cr:YAG funciona en una aplicación de óptica no lineal como un espejo conjugado de fase autobombeado en un "resonador de bucle" de Nd:YAG. [ cita requerida ] Un espejo de este tipo proporciona compensación de las aberraciones de fase y polarización inducidas en el resonador de bucle.
El YAG dopado con disprosio ( Dy:YAG ) es un fósforo sensible a la temperatura que se utiliza en mediciones de temperatura. [19] El fósforo se excita mediante un pulso láser y se observa su fluorescencia dependiente de la temperatura. El Dy:YAG es sensible en rangos de 300 a 1700 K. [ 20] El fósforo se puede aplicar directamente a la superficie medida o a un extremo de una fibra óptica . También se ha estudiado como fósforo emisor blanco monofásico en diodos emisores de luz blanca convertidos en fósforo. [21]
El YAG dopado con samario ( Sm:YAG ) es un fósforo sensible a la temperatura similar al Dy:YAG.
El YAG dopado con terbio ( Tb:YAG ) es un fósforo que se utiliza en tubos de rayos catódicos. Emite un color verde amarillento a 544 nm.
El YAG dopado con cerio (III) ( Ce:YAG o YAG:Ce ) es un fósforo o un centelleador cuando está en forma pura de monocristal , con una amplia gama de usos. Emite luz amarilla cuando se lo somete a luz azul o ultravioleta o a rayos X. [22] Se utiliza en diodos emisores de luz blanca como revestimiento sobre un diodo InGaN azul de alto brillo, convirtiendo parte de la luz azul en amarilla, que en conjunto aparecen como blancas. Esta disposición da una reproducción cromática menos que ideal . El brillo de salida disminuye con el aumento de la temperatura, lo que altera aún más la salida de color del dispositivo. [ cita requerida ]
El Ce:YAG también se utiliza en algunas lámparas de vapor de mercurio como uno de los fósforos, a menudo junto con Eu:Y(P,V)O 4 (fosfato-vanadato de itrio). También se utiliza como fósforo en tubos de rayos catódicos , donde emite luz verde (530 nm) a verde amarillento (550 nm). Cuando se excita con electrones, prácticamente no tiene resplandor (tiempo de decaimiento de 70 ns). Es adecuado para su uso en fotomultiplicadores .
Ce:YAG se utiliza en escáneres PET , detectores de radiación gamma de alta energía y de partículas cargadas , y pantallas de imágenes de alta resolución para rayos gamma, rayos X , radiación beta y radiación ultravioleta .
El Ce:YAG se puede dopar aún más con gadolinio .
El granate de itrio y aluminio (YAG) es un material cerámico óptico importante, especialmente cuando se dopa con Nd y Er, cuando exhibe un color específico. Por ejemplo, Er:YAG es rosa y Nd:YAG es un púrpura rojizo claro