Física de Láseres Láseres de Aislantes Alumno: Gabriel A. Añorve Zeferino Profesor: Dr. Carlos G. Treviño Palacios

CONTENIDO -Introducción Se describen las 4 partes constituyentes de todo sistemas láser: -Medio activo -Sistema de Bombeo -Cavidad -Extracción Parcial

Características Generales -Eficiencias de trabajo desde el 1% hasta e 25% -Más numerosos e importantes en aplicaciones generales -pulsados o continuos -miden desde cm, hasta m, e incluso del tamaño de un estadio de fútbol. -Potencias que van desde W hasta GW -Bombeados ópticamente -Emiten en el IR principalmente. También en el visible -Luz polarizada y No-polarizada -Sistema de enfriamiento -De manejo delicado, tienen altos riesgos de operación.

Medio Activo -Anfitrión y especies activadoras: aislante-dopante Activadores: -cristal: óxido, fluoruro -vidrio: silicato, fosfato, calciginato -ocasionalmente se utilizan polímeros Anfitrión: (concentración típicas son del 0.05%) -tierras raras: Nd+3,Er+3,Yb+3 -metales de transición: Cr+3,Ti+3 -ocasionalmente la ausencia de un ión : centros de color

Medios Activos y Longitud de Onda en la que Emiten Medio Activo nm Rubí 649.3 Nd:YAG 1064 Nd:YVO4 Nd:LSB 1062 Nd:Vidrio 1060 Nd:YLF 1053 Nd:NiNbO3 1084 y 1092 Ho:YAG 2060 Ho:YLF 2100 Er:Vidrio 1540 Er:YAG 2840 DPSS a frecuencia doblada 532 Además de estos sistemas no exísten muchos más que sean ampliamente utilizados comercialmente o en aplicaciones La mayoría emiten en el infrarrojo, a menos que se les multiplique la frecuencia.

El Dúo Dinámico -El láser de rubí: primer sistema láser. Theodore H. Maiman 1960, Hughs Research Laboratories. 3 Niveles -El láser de Nd:YAG es el SSL más utilizado, se espera que para este año abarque el 75% del mercado en aplicaciones de procesado de materiales. 4 Niveles. J.E. Geusic 1964, Bell Labs -Aunque en el futuro puede ser desplazado por el de Nd:YVO4 que al parecer tienen mejores propiedades

Comparación con Otros Láseres: Donde se nota que los SSL tienen:   -secciones eficaces mucho más pequeñas -tiempos de vida mucho más largos -intensidades de saturación mucho más elevadas -defectos cuánticos significativamente más pequeños -espectro de ganancia mucho más grande -el tiempo de vida atómico es mucho mayor que el tiempo de vida en la cavidad -densidades numéricas mucho más elevadas

BOMBEO La mayoría utiliza un bombeo óptico: -Lámpara de centelleo (flashlamps) de Xe -Lámparas de arco continuo -Arreglos de Láseres de Diodo (DPSS) -Lámparas de Halógenos -¡Luz Solar!

Lámparas de Centelleo de Xe -Distintas configuraciones Miden desde 1in hasta varios metros -Tubo de cuarzo sellado. Electrodos. Gas a presiones de 300-400 torr. -Necesitan sistema de enfriamiento -Láseres pulsados. Se utilizan cuando se requieren láseres de ALTA POTENCIA (>MW)

Lámparas de arco continuo -Se utilizan en láseres de CW -Se necesitan remover varios KW de calor residual -Están siendo rápidamento por los arreglos de diodos láser como método de bombeo. Sol -Eficiencia baja -Alimentación gratis.  -Tecnología en desarrollo, cara y no puede competir

DIODOS LÁSER -Son más eficientes (casi 10 veces más) -No tienen problemas tan graves de disipación de Calor -Se puede diseñar el bombeo -baratos ($10USD/W) -compactos, operan a 115VAC

Nd:YAG Sistema de 4 niveles: El bombeo se realiza a 808nm, se obtiene emisión láser no polarizada a 1064nm (IR).

CAVIDAD RESONANTE -Fabry-Perot -Desde varios centímetros hasta varios varios metros -Fabry-Perot Contiene: -medio activo -espejos -lámparas de bombeo -sistema de enfriamiento -cavidad reflectoras de bombeo -sistema de conmutación Q -cristales multiplicadores de frecuencia -OPO, etc.

ESPEJOS -HR: materiales dieléctricos, con cubierta metálica, reflectores de esquina o media esquina -OC: (Output Coupler) por lo regular se utilizan espejos dieléctricos o de óptica resonante, es decir un etalón. -Sustrato: BK7 -Tienden a ser muy planos y grandes: pueden no tener problemas de alineación detallada -Se concentra mucho calor en ellos -Pueden ser externos o estar en los extremos del medio activo -Umbral de daño: 1 J/cm2 a 1064nm, 10ns, 10Hz

-HR: >99.8% @ 1604, 1053 y 1047nm -OC:R=50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 94% o 98%) -$35-50 USD (D:25.4mm, t=6.35mm) La energía de salida depende de la reflectividad del OC

Conmutación-Q MULTIPLICADORES DE FRECUENCIA -SHG, THG, QHG -Mecánica (rubí:3ms), pasiva y optoelectrónica(Nd:YAG:230us) -MW hasta GW, ns, ps, < -pulsados y CW-> pulsados->kWz -Si la cavidad no está perfectamente alineada y se utiliza conmutación Q se puede dañar el láser MULTIPLICADORES DE FRECUENCIA -SHG, THG, QHG -KTP (KTiOPO4 )

OSCILADORES PARAMÉTRICOS ÓPTICOS SISTEMA DE REFRIGERACIÓN: -gas-líquido, pequeños-grandes, baja potencia-alta potencia -aire, nitrógeno, agua, glicol etileno -líquido: cavidad inundada, y sistema con revestimientos -menor temperatura mayor eficiencia, pero -Evitar temperaturas muy bajas para evadir la condensación

APLICACIONES Industriales: -Procesamiento de materiales: perforar, marcar, cortar, soldar, trazar. Nd:YAG 100-400W, pulsos de 0.5 a 8ms Militares: Designación de blancos, componentes de telemetría, sensores remotos, iniciación de artillería, radares láser. Er:Vidrio Láseres pirotécnicos: Nd:Vidrio, Yb:Vidrio Estéticas: Remoción de tatuajes

Aplicaciones Médicas Cirugías, ablaciones y evaporaciones, coaguladores. Nd:YAG 60W y Ho:YAG

MEDIDAS DE SEGURIDAD -Con los láseres pulsados la defensa natural del parpadeo o reflejo de aversión no sirve de nada. Las longitudes de onda entre el UV y los 1.5 micrómetros del infrarrojo no son seguras para la visión. Una pequeña fracción de un Joule de energía puede causar daños irreversibles, incluso se puede perder la vista -Los láseres dopados con Nd tienen longitudes de onda en el IR, no hay protección ni siquiera en CW -Pueden quemar los tejidos -El bombeo por Xe produce radiación UV peligrosa para la vista y los tejidos, puede quemar objetos -Fuentes de poder. Capacitores de 400J, 400 microfaradios a 2,000V