Fundamentos del Láser Segunda parte: Tipos de Láseres

Fundamentos del Láser
Segunda parte: Tipos de Láseres
“Espectroscopia Láser”
Enrique Mejía Ospino, emejia@ciencias.uis.edu.co

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 CO 2
UV-vis-NIR: Láser de ión Ar + , Kr +
UV, VUV: Láseres de F 2 , N 2 y H 2
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 H 2 O
-FIR: Láseresde NH 3 y C 2 H 2

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
X
X*
X
X
X
e -
X
X*
e -
X +
e -
e -
X*
e -
X +
e -
X +
X*
e -
ánodo
X*
X*
X
X
X*
X
X
cátodo
X
Gas
buffer
parámetros
- Estabilidad de la
descarga
-Densidad
electrónica

1s 2s
metaestable
1s2
2p 5 4s
2p 5 5s
2p 6
2p 5 4p
3p
3s
- 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, T e =8 10 4 K (10 eV)
- Gas buffer 5:1 mixture of 3 He:Ne a 4 torr
- 3 He incrementa la eficiencia debido a una mejora en la
Velocidad de transferencia de energía

Láser de CO 2
-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 CO 2

1) Descarga eléctrica-Excitación vibracional del N 2 (ν=1-8)
Relajación eficiente a N 2 (ν=1) que es metaestble
2) Excitación cuasi-resonante del CO 2 (ν 3 =1) (tensión asimétrica)
3) Transición láser centrada en 10.4 µm (ν 3 →ν 1 ) y 9.4 µm (ν 3 →ν 2 )
4) De-población del más bajo nivel láser por desactivación colisional
CO 2
4
3
2
metastable
1
N 2
Excitación N 2(ν =1-8)
Por impacto de electrones

Líneas láser del CO 2
Bandad 9.4 Banda 10.4

Principales transiciones láser del CO 2 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
descarga
Mezcla típica
(Xe):He:N 2:CO 2
cooling
tuning

Láseres de CO 2 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 CO 2

Láseres de vapor de
Cu y Au
- Basado en la excitación
por descarga sobre átomos
neutros de los vapores de
un metal
- La excitación 2 P es la más
efectiva debido su alta
sección eficaz del orbital
4s comparado con el 3d
- El decaimiento espontáneo
de 2 P a 2 D es lento
3d 9 4s 2
3d 10 4p
3d 10 4s
5d 10 6s

Tubo de descarga del láser de vapor de Cu
- Descarga- gas buffer: Ne a 20-200mbar
-0.5-3% de H 2 agregado para mejorar la eficiencia
- Temperatura de 1500 o C 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% H 2 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 (500-600 o C).
- 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 2 D 5/2 , 2 D 3/2 .
- 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 260 o C
(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 + (3p 5 )
Ar + (4s)
Ar + (3p 6 )

Ejemplo de un láser comercial de ión de Ar
Parámetros de operación:
Ar a presión de 0.5 torr,
corriente 100-300 A/cm 2 , temperatura electrónica 2-8 10 4 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)

XeF profundidad
1065 cm -1
Transiciones en el láser excimer

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),

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 → X 2 * + X
b) X 2 * + Y → 2X + Y*, c) Y* + ZM → YZ* + M
Ruta Iónica: domina en bombeo “e-beam”
a) X + + 2X → X 2 + + X and Z2 + e - → Z - + Z
b) X 2 + + Y → 2X + Y + , c) Y + + Z - + X → YZ* + X
“Quenching”: YZ* + Z(o X)→ Y+Z+Z(o X) o YZ* + Y + X → Y 2 Z* + X
“Quenching” depende de la composición de la mezcla, velocida de ns

Láser Excimer
http://www.lambdaphysik.com

Láser de N 2
- Bombe a alto campo (10kV/cm)
Descarga pulsada sobre una
mezcla de gas 5-10% N 2 en 1 bar
He
-Alta ganancia, potencia arriba
de 1 MW en pulsos de ns
- Eficiente excitación directa de N 2
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)

II. Láser de Estado Sólido

Láser de Estado Sólido
-Láser de iones de metales de transición (Cr 3+ ,
Ti 3+ , etc)
- Láser de Lantanidos: Nd 3+ -,
Serie Lantánida (Dy 3+, Ho 3+, Er 3+, Tm 3+)
- Láser Centro-Color

Láser de estado sólido-ión metálico:
Cristal anfitrión + Ión metálico-impureza
Ejemplo: Láser del ión Cr 3+
Cr 3+ impureza
Ocupa un sitio en los octahedros
De un cristal inorgánico de Al
Typical impurity
concentration
0.1% in weight
Ruby (zafiro)
Al 2 O 3 , 694.3 nm.
Alexandrita
BeAl 2 O 4 , 700-826 nm
Granate (Garnet)
Gd 3 Sc 2 Al 3 O 12 , 750-840 nm
Esmeralda (Emerald)
Be 3 Al 2 (SiO 3 ) 6 , 750-760 nm
Colquiriita
LiCaAlF 6 , 720-840 nm
LiSrAlF 6 , 760-1010 nm

Términos electrónico LS
Del ión libre Cr 3+
, 2 P
3d 3
para Cr 3+
B = 918 cm -1
C = 4133 cm -1
2 D’ (más alto)
2 F
2D 2H, 2P 2G 4P 4 F

Desdoblamiento Campo
Cristal de
niveles electrónicos
del Cr 3+
Configuración octaédrica
del cristal Cr 3+
Ligand-field splitting of d electrons
d xy d yz d zx
d z2
d z2
d xy
d yz
d x2-y2
d x2-y2
10D q
d zx

Interacciones y niveles electrónicos
del Cr 3+ en una campo cristal octaédrico

Desdoblamiento campo cristal de los términos LS en Cr 3+

Energy, E/B
2 F
2 G
4 P
4 F
weak
field
2 A2
strong
field
Crystal field, D q /B
4 T1
2 A1
4 T1
4 T2
2 T2
2 T1
2 E
4 A2
El campo cristal
depende del anfitrión y
La distancia metal-ligando
Campo cristal débil
Transición 4 A 2 ⇔ 4 T 2
- Cambio de configuración
t 2g → e g
-Afectada posición de
equilibrio en
la red cristalina
- Banda de emisión ancha
-Sensible al campo
Campo cristal fuerte
Transición 4 A 2 ⇔ 2 E
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 Al 2 O 3 dopado con Cr 3+ -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 2 E (el estado 4 T 2 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