Dye laser - Dye laser

Close de um laser de corante CW de mesa baseado em rodamina 6G , emitindo a 580 nm (amarelo). O feixe de laser emitido é visível como linhas amarelas fracas entre a janela amarela (centro) e a ótica amarela (canto superior direito), onde reflete para baixo na imagem para um espelho invisível e de volta para o jato de tinta a partir do canto esquerdo inferior . A solução corante laranja entra no laser pela esquerda e sai pela direita, ainda brilhando com a fosforescência tripla, e é bombeada por um feixe de 514 nm (azul-verde) de um laser de argônio. O laser da bomba pode ser visto entrando no jato de tinta, abaixo da janela amarela.

Um laser de corante é um laser que usa um corante orgânico como meio de laser , geralmente como uma solução líquida . Em comparação com gases e a maioria dos meios de laser de estado sólido , um corante pode geralmente ser usado para uma faixa muito mais ampla de comprimentos de onda , geralmente de 50 a 100 nanômetros ou mais. A ampla largura de banda os torna particularmente adequados para lasers sintonizáveis e lasers pulsados. O corante rodamina 6G, por exemplo, pode ser ajustado de 635 nm (vermelho alaranjado) a 560 nm (amarelo esverdeado) e produzir pulsos de até 16 femtossegundos. Além disso, o corante pode ser substituído por outro tipo a fim de gerar uma faixa ainda mais ampla de comprimentos de onda com o mesmo laser, do infravermelho próximo ao ultravioleta próximo, embora isso geralmente requeira a substituição de outros componentes ópticos no laser também, como espelhos dielétricos ou lasers de bomba.

Os lasers de corante foram descobertos de forma independente por PP Sorokin e FP Schäfer (e colegas) em 1966.

Além do estado líquido normal, os lasers de corante também estão disponíveis como lasers de corante de estado sólido (SSDL). SSDL usa matrizes orgânicas dopadas com corante como meio de ganho.

Construção

A cavidade interna de um laser de corante linear, mostrando o caminho do feixe. A bomba de laser (verde) entra na célula de corante pela esquerda. O feixe emitido sai para a direita (feixe amarelo inferior) através de um dumper de cavidade (não mostrado). Uma rede de difração é usada como alto-refletor (feixe amarelo superior, lado esquerdo). O feixe de dois metros é redirecionado várias vezes por espelhos e prismas, que reduzem o comprimento total, expandem ou focalizam o feixe para várias partes da cavidade e eliminam uma das duas ondas de contra-propagação produzidas pela célula corante. O laser é capaz de operação de onda contínua ou pulsos ultracurtos de picossegundos (trilionésimo de segundo, equivalente a um feixe menor que 1/3 de um milímetro de comprimento).
Um laser de corante anelar. P-bomba laser feixe; Jato de corante G-gain; Jato de corante absorvente A-saturável; M0, M1, espelhos planos M2; Acoplador de saída OC; Espelhos curvos CM1 a CM4.

Um laser de corante usa um meio de ganho que consiste em um corante orgânico , que é uma mancha solúvel à base de carbono que geralmente é fluorescente, como a tinta em uma caneta marca- texto . O corante é misturado com um solvente compatível , permitindo que as moléculas se difundam uniformemente por todo o líquido. A solução de tinta pode ser circulada através de uma célula de tinta ou transmitida através do ar livre usando um jato de tinta. Uma fonte de luz de alta energia é necessária para 'bombear' o líquido além de seu limite de laser . Um flashtube de descarga rápida ou um laser externo geralmente é usado para essa finalidade. Os espelhos também são necessários para oscilar a luz produzida pela fluorescência do corante, que é amplificada a cada passagem pelo líquido. O espelho de saída é normalmente cerca de 80% reflexivo, enquanto todos os outros espelhos são geralmente mais de 99,9% reflexivos. A solução do corante é normalmente circulada em altas velocidades, para ajudar a evitar a absorção do trio e diminuir a degradação do corante. Um prisma ou grade de difração é geralmente montado no caminho do feixe, para permitir o ajuste do feixe.

Como o meio líquido de um laser de tinta pode se ajustar a qualquer formato, há uma infinidade de configurações diferentes que podem ser usadas. Uma cavidade de laser Fabry-Pérot é geralmente usada para lasers bombeados por flashtube, que consiste em dois espelhos, que podem ser planos ou curvos, montados paralelamente um ao outro com o meio laser entre eles. A célula de corante é freqüentemente um tubo fino aproximadamente igual em comprimento ao tubo flash, com janelas e uma entrada / saída para o líquido em cada extremidade. A célula de tinta geralmente é bombeada lateralmente, com um ou mais tubos flash correndo paralelamente à célula de tinta em uma cavidade refletora. A cavidade do refletor é freqüentemente resfriada com água, para evitar choque térmico no corante causado pela grande quantidade de radiação infravermelha que o tubo de ignição produz. Os lasers bombeados axialmente têm um tubo de flash oco em forma de anular que envolve a célula de corante, que tem indutância mais baixa para um flash mais curto e eficiência de transferência aprimorada. Os lasers bombeados coaxiais têm uma célula de corante anular que circunda o tubo flash, para uma eficiência de transferência ainda melhor, mas têm um ganho menor devido às perdas por difração. Os lasers com bombeamento de flash podem ser usados ​​apenas para aplicações de saída pulsada.

Um design de laser de anel é freqüentemente escolhido para operação contínua, embora um design Fabry-Pérot seja às vezes usado. Em um laser de anel, os espelhos do laser são posicionados para permitir que o feixe viaje em um caminho circular. A célula de corante, ou cubeta, geralmente é muito pequena. Às vezes, um jato de tinta é usado para ajudar a evitar perdas de reflexão. O corante geralmente é bombeado com um laser externo, como nitrogênio , excimer ou laser Nd: YAG de frequência dupla . O líquido é circulado em velocidades muito altas, para evitar que a absorção de trigêmeos corte o feixe. Ao contrário das cavidades de Fabry-Pérot, um laser de anel não gera ondas estacionárias que causam a queima de buracos espaciais , um fenômeno onde a energia fica presa em porções não utilizadas do meio entre as cristas da onda. Isso leva a um melhor ganho do meio laser.

Operação

Os corantes usados ​​nesses lasers contêm moléculas orgânicas bastante grandes que fluorescem. A maioria dos corantes tem um tempo muito curto entre a absorção e a emissão de luz, conhecido como tempo de vida da fluorescência, que geralmente é da ordem de alguns nanossegundos. (Em comparação, a maioria dos lasers de estado sólido tem uma vida útil de fluorescência variando de centenas de microssegundos a alguns milissegundos.) Sob condições de bombeamento de laser padrão, as moléculas emitem sua energia antes que uma inversão populacional possa se acumular adequadamente, então os corantes requerem bastante especialização meios de bombeamento. Os corantes líquidos têm um limite de laser extremamente alto . Além disso, as moléculas grandes estão sujeitas a transições de estado excitado complexas durante as quais o spin pode ser "invertido", mudando rapidamente do estado "singuleto" de emissão rápida útil para o estado "tripleto" mais lento.

A luz que entra excita as moléculas do corante, deixando-as prontas para emitir radiação estimulada ; o estado singlet . Nesse estado, as moléculas emitem luz por meio da fluorescência e o corante é transparente ao comprimento de onda do laser. Em um microssegundo ou menos, as moléculas mudarão para seu estado tripleto . No estado tripleto, a luz é emitida por fosforescência e as moléculas absorvem o comprimento de onda do laser, tornando o corante parcialmente opaco. Os lasers com lâmpada de flash precisam de um flash com uma duração extremamente curta, para fornecer a grande quantidade de energia necessária para trazer o corante além do limite antes que a absorção do trio supere a emissão do singlete. Lasers de tinta com uma bomba de laser externa podem direcionar energia suficiente do comprimento de onda adequado para a tinta com uma quantidade relativamente pequena de energia de entrada, mas a tinta deve ser circulada em altas velocidades para manter as moléculas triplas fora do caminho do feixe. Devido à sua alta absorção, a energia de bombeamento pode freqüentemente ser concentrada em um pequeno volume de líquido.

Como os corantes orgânicos tendem a se decompor sob a influência da luz, a solução de corante normalmente circula de um grande reservatório. A solução de corante pode fluir através de uma cubeta , isto é, um recipiente de vidro, ou ser um jato de tinta , isto é, como um fluxo semelhante a uma folha ao ar livre de um bico de formato especial . Com o jato de tinta, evita-se a perda de reflexão das superfícies do vidro e a contaminação das paredes da cubeta. Essas vantagens têm o custo de um alinhamento mais complicado.

Os corantes líquidos têm um ganho muito alto como mídia a laser. O feixe precisa fazer apenas algumas passagens pelo líquido para alcançar a potência total do projeto e, portanto, a alta transmitância do acoplador de saída . O alto ganho também leva a grandes perdas, porque os reflexos das paredes da célula de tinta ou do refletor da lâmpada causam oscilações parasitas , reduzindo drasticamente a quantidade de energia disponível para o feixe. As cavidades da bomba são frequentemente revestidas , anodizadas ou feitas de um material que não refletirá no comprimento de onda do laser enquanto reflete no comprimento de onda da bomba.

Um benefício dos corantes orgânicos é sua alta eficiência de fluorescência. As maiores perdas em muitos lasers e outros dispositivos de fluorescência não são da eficiência de transferência (energia absorvida versus refletida / transmitida) ou rendimento quântico (número emitido de fótons por número absorvido), mas das perdas quando os fótons de alta energia são absorvidos e reemitidos como fótons de comprimentos de onda mais longos. Como a energia de um fóton é determinada por seu comprimento de onda, os fótons emitidos terão energia inferior; um fenômeno denominado mudança de Stokes . Os centros de absorção de muitos corantes estão muito próximos dos centros de emissão. Às vezes, os dois estão próximos o suficiente para que o perfil de absorção se sobreponha ligeiramente ao perfil de emissão. Como resultado, a maioria dos corantes exibe deslocamentos de Stokes muito pequenos e, consequentemente, permitem perdas de energia menores do que muitos outros tipos de laser devido a esse fenômeno. Os perfis de absorção amplos os tornam particularmente adequados para bombeamento de banda larga, como de um tubo flash. Ele também permite que uma ampla gama de lasers de bomba sejam usados ​​para qualquer corante específico e, inversamente, muitos corantes diferentes podem ser usados ​​com uma única bomba de laser.

  • Uma cubeta usada em um laser de corante. Uma fina lâmina de líquido é passada entre as janelas em alta velocidade. As janelas são definidas no ângulo de Brewster (interface ar-vidro) para a bomba de laser e no ângulo de Brewster (interface líquido-vidro) para o feixe emitido.

  • O deslocamento de Stokes na rodamina 6G durante a absorção / emissão de banda larga. Na operação a laser, o deslocamento de Stokes é a diferença entre o comprimento de onda da bomba e a saída.

Lasers de corante CW

Os lasers de corante de onda contínua (CW) geralmente usam um jato de tinta. Os lasers de corante CW podem ter uma cavidade linear ou em anel e forneceram a base para o desenvolvimento de lasers de femtossegundo.

Lasers de tinta de largura de linha estreita

Vários prismas expandem o feixe em uma direção, proporcionando melhor iluminação de uma grade de difração . Dependendo do ângulo, comprimentos de onda indesejados são dispersos e, portanto, são usados ​​para ajustar a saída de um laser de tinta, muitas vezes para uma largura de linha de uma fração de angstrom .

A emissão de lasers de corante é inerentemente ampla. No entanto, a emissão de largura de linha estreita ajustável tem sido fundamental para o sucesso do laser de corante. Para produzir ajuste de largura de banda estreita, esses lasers usam muitos tipos de cavidades e ressonadores que incluem grades, prismas, arranjos de grades de prisma múltiplo e etalons .

O primeiro laser de corante de largura de linha estreita , introduzido por Hänsch , usava um telescópio galileano como expansor de feixe para iluminar a grade de difração. Em seguida, vieram os projetos de grade de incidência rasante e as configurações de grade de prisma múltiplo . Os vários projetos de ressonadores e osciladores desenvolvidos para lasers de corante foram adaptados com sucesso a outros tipos de laser, como o laser de diodo . A física dos lasers de grade de prisma múltiplo de largura de linha estreita foi explicada por Duarte e Piper.

Químicos usados

Pó de cloreto de rodamina 6G; misturado com metanol; emitindo luz amarela sob a influência de um laser verde

Alguns dos corantes a laser são rodamina (laranja, 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 e outros. Embora alguns corantes sejam realmente usados ​​em corantes alimentares, a maioria deles é muito tóxica e freqüentemente cancerígena. Muitos corantes, como a rodamina 6G , (em sua forma de cloreto), podem ser muito corrosivos para todos os metais, exceto o aço inoxidável. Embora os corantes tenham espectros de fluorescência muito amplos, a absorção e a emissão do corante tenderão a se concentrar em um determinado comprimento de onda e diminuir para cada lado, formando uma curva de sintonia, com o centro de absorção tendo um comprimento de onda menor do que o centro de emissão. A rodamina 6G, por exemplo, tem sua saída mais alta em torno de 590 nm, e a eficiência de conversão diminui à medida que o laser é sintonizado em um dos lados desse comprimento de onda.

Uma grande variedade de solventes pode ser usada, embora a maioria dos corantes se dissolva melhor em alguns solventes do que em outros. Alguns dos solventes usados ​​são água , glicol , etanol , metanol , hexano , ciclohexano , ciclodextrina e muitos outros. Os solventes podem ser altamente tóxicos e, às vezes, podem ser absorvidos diretamente pela pele ou por meio de vapores inalados. Muitos solventes também são extremamente inflamáveis. Os vários solventes também podem ter um efeito sobre a cor específica da solução de corante, a vida útil do estado singlete, tanto aumentando ou extinguindo o estado tripleto e, assim, na largura de banda de laser e potência obtida com uma fonte de bombeamento a laser particular .

Adamantane é adicionado a alguns corantes para prolongar sua vida.

O cicloheptatrieno e o ciclooctatetraeno (COT) podem ser adicionados como supressores tripletos para a rodamina G, aumentando a potência de saída do laser. A potência de saída de 1,4 quilowatt a 585 nm foi alcançada usando Rodamina 6G com COT em solução de metanol-água.

Lasers de excitação

Lanternas e vários tipos de lasers podem ser usados ​​para bombear lasers de corante opticamente. Uma lista parcial de lasers de excitação inclui:

Pulsos ópticos ultracurtos

RL Fork, BI Greene e CV Shank demonstraram, em 1981, a geração de pulsos de laser ultracurtos usando um laser de corante em anel (ou laser de corante que explora o bloqueio de modo de pulso em colisão ). Esse tipo de laser é capaz de gerar pulsos de laser de aproximadamente 0,1 ps de duração.

A introdução de técnicas de grade e compressores de pulso prismático intracavitário eventualmente resultou na emissão de rotina de pulsos de laser de corante femtossegundo.

Formulários

Um experimento de separação de isótopos de laser de vapor atômico no LLNL. A luz verde vem de um laser de bomba de vapor de cobre usado para bombear um laser de corante altamente sintonizado que está produzindo a luz laranja.

Os lasers de tinta são muito versáteis. Além de sua reconhecida agilidade de comprimento de onda, esses lasers podem oferecer energias pulsadas muito grandes ou potências médias muito altas. Foi demonstrado que os lasers de corante bombeados por flash produzem centenas de Joules por pulso e lasers de corante bombeados por laser de cobre produzem potências médias no regime de quilowatts.

Os lasers de tinta são usados ​​em muitas aplicações, incluindo:

Na medicina a laser esses lasers são aplicados em várias áreas, inclusive na dermatologia, onde são usados ​​para uniformizar o tom da pele. A ampla faixa de comprimentos de onda possíveis permite uma correspondência muito próxima às linhas de absorção de certos tecidos, como a melanina ou a hemoglobina , enquanto a estreita largura de banda obtida ajuda a reduzir a possibilidade de danos ao tecido circundante. Eles são usados ​​para tratar manchas em vinho do Porto e outras doenças dos vasos sanguíneos, cicatrizes e pedras nos rins . Eles podem ser combinados com uma variedade de tintas para remoção de tatuagem , bem como uma série de outras aplicações.

Na espectroscopia, os lasers de corante podem ser usados ​​para estudar os espectros de absorção e emissão de vários materiais. Sua sintonia (do infravermelho próximo ao ultravioleta próximo), largura de banda estreita e alta intensidade permitem uma diversidade muito maior do que outras fontes de luz. A variedade de larguras de pulso, de ultracurtos, pulsos de femtossegundo a operação de onda contínua, os torna adequados para uma ampla gama de aplicações, desde o estudo de tempos de vida fluorescentes e propriedades de semicondutores até experimentos de laser lunar .

Lasers ajustáveis ​​são usados ​​em metrologia de frequência de varredura para permitir a medição de distâncias absolutas com uma precisão muito alta. Um interferômetro de dois eixos é configurado e, ao varrer a frequência, a frequência da luz que retorna do braço fixo é ligeiramente diferente da frequência que retorna do braço de medição de distância. Isso produz uma frequência de batimento que pode ser detectada e usada para determinar a diferença absoluta entre os comprimentos dos dois braços.

Veja também

Referências

links externos

  • Mídia relacionada a lasers Dye no Wikimedia Commons