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 , siendo otros ejemplos 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 al calor, 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 y potencia. Los niveles de daño del láser de YAG oscilaron entre 1,1 y 2,2 kJ/cm 2 (1064 nm, 10 ns). [7]
YAG, como el granate y el zafiro , no tiene usos como medio láser cuando está puro. Sin embargo, después de ser dopado con un ion apropiado, YAG se usa comúnmente como material huésped 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 utiliza como fósforo en tubos de rayos catódicos y diodos emisores de luz blanca , y como centelleador .
YAG por un período [ ¿cuándo? ] se utilizaba en joyería como simulante de diamantes y otras piedras preciosas . Las variantes de colores y sus elementos dopantes incluyen: [1] verde ( cromo ), azul ( cobalto ), rojo ( manganeso ), amarillo ( titanio ), azul/rosa/púrpura ( 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 de YAG es de 33 grados. YAG corta como el granate natural , y el pulido se realiza con alúmina o diamante (grano 50.000 o 100.000) en vueltas de pulido comunes. YAG tiene baja sensibilidad al calor. [9]
Como piedra preciosa sintética, el YAG tiene numerosos nombres varietales y comerciales, así como varios 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 , réplica , somerset , triamond , YAIG y granate de itrio . La producción para el comercio de gemas disminuyó después de la introducción de la circona cúbica sintética ; a partir de 1995 [actualizar]había poca producción. [1] Existe cierta demanda como granate sintético y para diseños donde el índice de refracción muy alto de la circona cúbica no es deseable. [ cita necesaria ]
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 de conmutación Q (pulsados) de alta potencia con niveles de potencia medidos en kilovatios. [10] La conductividad térmica de Nd:YAG es mayor y su vida útil de fluorescencia es aproximadamente el doble que la de los cristales de 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 de 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 en esta longitud de onda es bastante peligrosa para la visión, ya que la lente del ojo puede enfocarla sobre la retina , pero la luz es invisible y no provoca el reflejo de parpadeo . Los láseres Nd:YAG también se pueden utilizar con cristales que duplican o triplican la 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 de uso común suele variar entre 0,5 y 1,4 por ciento molar. Se utiliza una concentración más alta de dopante para los láseres pulsados; una concentración más baja es adecuada para láseres de onda continua. Nd:YAG es de color púrpura rosado, y las varillas dopadas más ligeras tienen un color menos intenso que las más dopadas. Dado que su espectro de absorción es estrecho, la tonalidad depende de la luz bajo la cual se observa.
El YAG dopado con neodimio y cromo ( Nd:Cr:YAG o Nd/Cr:YAG ) tiene características de absorción superiores al 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+ mediante interacciones dipolo-dipolo. [12] Se ha sugerido el uso de este material en láseres bombeados por energía solar , que podrían formar parte de un sistema satelital de energía solar . [13]
El YAG dopado con erbio ( Er:YAG ) es un medio láser activo que emite láser a 2940 nm. Sus bandas de absorción adecuadas para el bombeo son anchas y están ubicadas entre 600 y 800 nm, lo que permite un bombeo eficiente de la lámpara de flash. La concentración de dopante utilizada es alta: aproximadamente el 50% de los átomos de itrio se reemplazan. La longitud de onda del láser Er:YAG se acopla bien al agua y a los fluidos corporales, lo que hace que este láser sea especialmente útil para usos en medicina y odontología; se utiliza para el tratamiento del esmalte dental y en cirugía estética. Er:YAG se utiliza para el control no invasivo del azúcar en sangre . Las propiedades mecánicas de Er:YAG son esencialmente las mismas que las de Nd:YAG. Er:YAG opera en longitudes de onda donde el umbral de daño ocular es relativamente alto (ya que la luz se absorbe antes de llegar a la retina ), funciona bien a temperatura ambiente y tiene una alta eficiencia de pendiente . Er:YAG es rosa. [14]
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 oscilan entre el 0,2% y el 30% de los átomos de itrio reemplazados. Yb:YAG tiene un calentamiento fraccional muy bajo, una eficiencia de pendiente muy alta [ 16] y no tiene absorción ni conversión ascendente en el estado excitado, alta resistencia mecánica y alta conductividad térmica. Yb:YAG puede bombearse mediante diodos láser confiables de InGaAs a 940 o 970 nm.
Yb:YAG es un buen sustituto del Nd:YAG de 1064 nm en aplicaciones de alta potencia, y su versión de 515 nm con frecuencia duplicada puede reemplazar los láseres de argón de 514 nm .
Neodimio - YAG doblemente dopado con cerio ( Nd:Ce:YAG o Nd,Ce:YAG ) es un material 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, aumentando la eficiencia del 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 del láser, 1064 nm, es la misma que la del Nd:YAG. El material tiene una buena resistencia al daño causado por los rayos UV de la fuente de la bomba y un umbral láser bajo . Por lo general, entre el 1,1% y el 1,4% de los átomos de Y se reemplazan por Nd y entre el 0,05% y el 0,1% por Ce.
El YAG triple dopado de holmio , cromo y tulio ( Ho:Cr:Tm:YAG , o Ho,Cr,Tm:YAG ) es un material medio láser activo con alta eficiencia. Emite un láser de 2080 nm y puede bombearse mediante una lámpara de destellos o un diodo láser. [17] Se utiliza ampliamente en el ejército, la medicina y la meteorología. 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 utilizar la banda de 785 nm para el ion Tm 3+ . [17] Otras bandas de bombeo importantes se encuentran entre 400 y 800 nm. Los niveles de dopante utilizados son 0,35 % atómico de Ho, 5,8 % atómico de Tm y 1,5 % atómico de 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 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 a 1,2 micrómetros, lo que lo convierte en una opción atractiva como interruptor Q pasivo para láseres dopados con Nd. Los dispositivos resultantes son de estado sólido, compactos y de bajo coste. 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 los materiales de conmutación Q más tradicionales, como el fluoruro de litio y los tintes orgánicos . Los niveles de dopante utilizados oscilan entre 0,5 y 3 por ciento (molar). Cr:YAG se puede utilizar para 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.
Cr:YAG también se puede utilizar como medio de ganancia de láser, produciendo láseres sintonizables con salidas ajustables entre 1350 y 1550 nm. El láser Cr:YAG puede generar pulsos ultracortos (en el rango de femtosegundos) cuando es bombeado a 1064 nm por un láser Nd:YAG. [18]
Cr:YAG se ha demostrado en una aplicación de óptica no lineal como espejo conjugado de fase autobombeado en un "resonador de bucle" de Nd:YAG. [ cita necesaria ] Un espejo de este tipo proporciona compensación de las aberraciones de fase y de 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. 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 utilizado en tubos de rayos catódicos. Emite de color amarillo verdoso, a 544 nm.
El YAG dopado con cerio (III) ( Ce:YAG o YAG:Ce ) es un fósforo o un centelleador cuando está en forma monocristalina pura , con una amplia gama de usos. Emite luz amarilla cuando se somete a luz azul o ultravioleta o a rayos X. [22] Se utiliza en diodos emisores de luz blanca como recubrimiento sobre un diodo InGaN azul de alto brillo, convirtiendo parte de la luz azul en amarilla, que en conjunto luego aparece como blanca. Una disposición de este tipo no proporciona una reproducción cromática ideal . El brillo de salida disminuye al aumentar la temperatura, lo que altera aún más la salida de color del dispositivo. [ cita necesaria ]
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 de color verde (530 nm) a amarillo verdoso (550 nm). Cuando es excitado por electrones, prácticamente no tiene resplandor (tiempo de desintegración 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 partículas cargadas , y pantallas de imágenes de alta resolución para rayos gamma, rayos X , radiación beta y radiación ultravioleta .
Ce:YAG se puede dopar aún más con gadolinio .
El granate de itrio y aluminio (YAG) es un material cerámico óptico importante, especialmente cuando está dopado con Nd y Er, cuando exhibe un color específico. Por ejemplo, Er:YAG es rosa y Nd:YAG es un violeta rojizo claro.