Un láser colorante es un láser que utiliza un colorante 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 colorante generalmente se puede utilizar 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 particularmente adecuados para láseres sintonizables y láseres pulsados. El colorante rodamina 6G, por ejemplo, se puede sintonizar de 635 nm (rojo anaranjado) a 560 nm (amarillo verdoso) y producir pulsos tan cortos como 16 femtosegundos. [1] Además, el colorante se puede reemplazar por otro tipo para generar un rango aún más amplio de longitudes de onda con el mismo láser, desde el infrarrojo cercano hasta el ultravioleta cercano, aunque esto generalmente requiere reemplazar también otros componentes ópticos en el láser, como espejos dieléctricos o láseres de bombeo.
Los láseres de tinte fueron descubiertos independientemente por PP Sorokin y FP Schäfer (y colegas) en 1966. [2] [3]
Además del estado líquido habitual, los láseres colorantes también están disponibles como láseres colorantes de estado sólido (SSDL). Estos láseres SSDL utilizan matrices orgánicas dopadas con colorante como medio de ganancia.
Un láser de colorante utiliza un medio de ganancia que consiste en un colorante orgánico , que es una mancha soluble a base de carbono que a menudo es fluorescente, como el colorante en un rotulador fluorescente . El colorante se mezcla con un disolvente compatible , lo que permite que las moléculas se difundan uniformemente por todo el líquido. La solución de colorante puede circular a través de una celda de colorante o transmitirse a través del aire libre utilizando un chorro de colorante. 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 destello de descarga rápida o un láser externo para este propósito. También se necesitan espejos para hacer oscilar la luz producida por la fluorescencia del colorante, que se amplifica con cada paso a través del líquido. El espejo de salida normalmente es reflectante en un 80%, mientras que todos los demás espejos suelen ser reflectantes en más del 99,9%. La solución de colorante generalmente circula a altas velocidades, para ayudar a evitar la absorción de tripletes y disminuir la degradación del colorante. Por lo general, se monta un prisma o una rejilla de difracción en la trayectoria del haz, para permitir el ajuste del haz.
Debido a que el medio líquido de un láser de colorante puede adaptarse a cualquier forma, existe una multitud de configuraciones diferentes que se pueden utilizar. Una cavidad láser Fabry-Pérot se utiliza generalmente para láseres bombeados por tubo de destello, que consta de dos espejos, que pueden ser planos o curvos, montados en paralelo entre sí con el medio láser en el medio. La celda de colorante suele ser un tubo delgado aproximadamente igual en longitud al tubo de destello, con ambas ventanas y una entrada/salida para el líquido en cada extremo. La celda de colorante suele ser bombeada lateralmente, con uno o más tubos de destello que corren paralelos a la celda de colorante en una cavidad reflectora. La cavidad reflectora suele estar refrigerada por agua, para evitar el choque térmico en el colorante causado por las grandes cantidades de radiación infrarroja cercana que produce el tubo de destello. Los láseres bombeados axialmente tienen un tubo de destello hueco, de forma anular, que rodea la celda de colorante, que tiene una inductancia menor 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 destello se pueden utilizar solo para aplicaciones de salida pulsada. [4] [5] [6]
Un diseño de láser de anillo se elige a menudo para el funcionamiento continuo, aunque a veces se utiliza un diseño Fabry-Pérot. En un láser de anillo, los espejos del láser están posicionados 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 suele bombearse con un láser externo, como un láser de nitrógeno , excimer o Nd:YAG de frecuencia duplicada . El líquido circula a velocidades muy altas, para evitar que la absorción de tripletes corte el haz. [7] A diferencia de las cavidades Fabry-Pérot, un láser de anillo no genera ondas estacionarias que causan 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]
Los colorantes utilizados en estos láseres contienen moléculas orgánicas de gran tamaño que emiten fluorescencia. La mayoría de los colorantes tienen un tiempo muy corto entre la absorción y la emisión de luz, conocido como tiempo de vida de fluorescencia, que suele ser del orden de unos pocos nanosegundos (en comparación, la mayoría de los láseres de estado sólido tienen un tiempo de vida de fluorescencia que va desde cientos de microsegundos hasta unos pocos milisegundos). En condiciones estándar de bombeo láser, las moléculas emiten su energía antes de que pueda acumularse adecuadamente una inversión de población , por lo que los colorantes requieren medios de bombeo bastante especializados. Los colorantes líquidos tienen un umbral de emisión láser extremadamente alto . Además, las moléculas grandes están sujetas a complejas transiciones de estado excitado durante las cuales el espín puede "invertirse", pasando rápidamente del útil estado "singlete", de rápida emisión, al estado "triplete", más lento. [10]
La luz entrante excita las moléculas de tinte hasta el estado de estar listas para emitir radiación estimulada ; el estado singlete . En este estado, las moléculas emiten luz a través de 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 a través de fosforescencia y las moléculas absorben la longitud de onda del 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 del triplete supere la emisión singlete. Los láseres de tinte con un láser de bombeo 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 del triplete fuera de la trayectoria del haz. Debido a su alta absorción, la energía de bombeo a menudo puede concentrarse en un volumen bastante pequeño de líquido. [11]
Dado que los colorantes orgánicos tienden a descomponerse bajo la influencia de la luz, la solución de colorante normalmente circula desde un gran depósito. [12] La solución de colorante puede fluir a través de una cubeta , es decir, un recipiente de vidrio, o ser como un chorro de colorante , es decir, como una corriente en forma de lámina al aire libre desde una boquilla de forma especial . Con un chorro de colorante, se evitan las pérdidas de reflexión de las superficies de vidrio y la contaminación de las paredes de la cubeta. Estas ventajas se obtienen a costa de una alineación más complicada.
Los tintes líquidos tienen una ganancia muy alta como medio láser. El haz necesita hacer solo unas pocas pasadas a través del líquido para alcanzar la potencia de diseño completa 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 del tinte o el reflector de la lámpara de destellos causan oscilaciones parásitas , lo que reduce 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 en la longitud de onda del láser mientras refleja en la longitud de onda de la bomba. [11]
Una ventaja de los colorantes 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) o al rendimiento cuántico (número de fotones emitidos por número absorbido), sino a las pérdidas cuando los fotones de alta energía se absorben y se reemiten 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 desplazamiento de Stokes . Los centros de absorción de muchos colorantes están 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 colorantes exhiben desplazamientos 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 particularmente adecuados para el bombeo de banda ancha, como el de un tubo de flash. También permite utilizar una amplia gama de láseres de bombeo para cualquier colorante determinado y, a la inversa, se pueden utilizar muchos colorantes diferentes con un solo láser de bombeo. [10]
Los láseres de colorante de onda continua (CW) [13] suelen utilizar un chorro de colorante. Los láseres de colorante de onda continua pueden tener una cavidad lineal o anular y proporcionaron la base para el desarrollo de los láseres de femtosegundos.
La emisión de los láseres de colorante es inherentemente amplia. Sin embargo, la emisión ajustable con 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 prismas múltiples y etalones . [14]
El primer láser colorante de ancho de línea estrecho, introducido por Hänsch , utilizó un telescopio galileano como expansor de haz para iluminar la rejilla de difracción. [15] A continuación, aparecieron 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 colorantes se han adaptado con éxito a otros tipos de láser, como el láser de diodo . [20] Duarte y Piper explicaron la física de los láseres de rejilla de prismas múltiples de ancho de línea estrecho . [21]
Algunos de los colorantes 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 malaquita y otros. [22] [23] Si bien algunos colorantes se utilizan realmente en colorantes alimentarios, la mayoría son muy tóxicos y, a menudo, cancerígenos. [24] Muchos colorantes, como la rodamina 6G (en su forma de cloruro), pueden ser muy corrosivos para todos los metales excepto el acero inoxidable. Aunque los colorantes tienen espectros de fluorescencia muy amplios, la absorción y emisión del colorante 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 disolventes, aunque la mayoría de los colorantes se disolverán 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 altamente tóxicos y, a veces, 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 en el color específico de la solución de colorante, la vida útil del estado singlete, ya sea mejorando o extinguiendo el estado triplete y, por lo tanto, en el ancho de banda láser y la potencia obtenibles con una fuente de bombeo láser particular. [10]
Se añade adamantano a algunos tintes para prolongar su vida.
Se pueden añadir cicloheptatrieno y ciclooctatetraeno (COT) como inhibidores de tripletes para la 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.
Se pueden utilizar lámparas de destellos y varios tipos de láseres para bombear ópticamente láseres de colorante. Una lista parcial de láseres de excitación incluye: [25]
En 1981, RL Fork, BI Greene y CV Shank demostraron la generación de pulsos láser ultracortos utilizando un láser de colorante en anillo (o láser de colorante que aprovecha el bloqueo de modo de pulsos en colisión ). Este tipo de láser es capaz de generar pulsos láser de una duración de ~ 0,1 ps . [26]
La introducción de técnicas de rejilla y compresores de pulsos prismáticos intracavitarios eventualmente resultó en la emisión rutinaria de pulsos de láser colorante de femtosegundos.
Los láseres de colorante son muy versátiles. Además de su reconocida agilidad en cuanto a longitudes de onda, estos láseres pueden ofrecer energías pulsadas muy grandes o potencias promedio muy altas. Se ha demostrado que los láseres de colorante bombeados por lámparas de destellos producen cientos de julios por pulso y se sabe que los láseres de colorante bombeados por láser de cobre producen potencias promedio en el régimen de kilovatios. [27]
Los láseres de tinte se utilizan en muchas aplicaciones, entre ellas:
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 dañar el tejido circundante. Se utilizan para tratar 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 una serie de otras aplicaciones. [33]
En espectroscopia, los láseres de colorante se pueden utilizar para estudiar los espectros de absorción y emisión de diversos materiales. Su capacidad de ajuste (desde el infrarrojo cercano al ultravioleta cercano), su ancho de banda estrecho 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 el funcionamiento en onda continua, los hace adecuados para una amplia gama de aplicaciones, desde el estudio de la vida útil de la fluorescencia y las propiedades de los semiconductores hasta los experimentos de medición de distancias láser lunares . [34]
Los láseres sintonizables se utilizan en metrología de barrido de frecuencia para permitir la medición de distancias absolutas con una precisión muy alta. Se instala un interferómetro de dos ejes y, al realizar un barrido de 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 batido que se puede detectar y utilizar para determinar la diferencia absoluta entre las longitudes de los dos brazos. [35]
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