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Articulo de referencia

Granate de itrio y aluminio

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El granate de itrio y aluminio (YAG, Y₃Al₅O₁₂ ) es un material cristalino sintético del grupo de los granates . Es una fase cúbica de óxido de itrio y aluminio , siendo otros ejemplos el YAlO₃ ( YAP [ 2 ] ) en forma hexagonal u ortorrómbica, similar a la perovskita , y el Y₄Al₂O₉ ( YAM [ 3 ] ) monoclínico . [ 4 ]

Debido a su amplia transparencia óptica, [ 5 ] baja tensión interna, alta dureza, resistencia química y térmica, el 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/alta potencia. Los niveles de daño láser del YAG oscilaron entre 1,1 y 2,2  kJ/cm² ( 1064  nm, 10  ns). [ 7 ]

El YAG, al igual que el granate y el zafiro , no tiene usos como medio láser cuando está puro. Sin embargo, después de ser dopado con un ion apropiado, el 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 pueden doparse en el YAG como iones láser activos, produciendo láseres Nd:YAG y Er:YAG , respectivamente. El YAG dopado con cerio (Ce:YAG) se usa como fósforo en tubos de rayos catódicos y diodos emisores de luz blanca , y como centelleador .

Piedra preciosa YAG

Durante un tiempo, el YAG se utilizó en joyería como simulante de diamantes y otras piedras preciosas . Las variantes de color y sus elementos de dopaje 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 por propiedades como la simulación de la propiedad de cambio de color de la alejandrita . El ángulo crítico del YAG es de 33 grados. El YAG se corta como el granate natural , y el pulido se realiza con alúmina o diamante (grano 50.000 o 100.000) en discos de pulido comunes. El YAG tiene baja sensibilidad al calor. [ 9 ]

Como gema sintética, el YAG tiene numerosos nombres varietales y comerciales, así como varios nombres erróneos. Los nombres sinónimos incluyen: alexita , amamita , circolita , granate navideño (específicamente Cr:YAG), dia -bud , diamita, diamogem, diamonair, diamone, diamonique, diamonite, diamonte, di'yag, geminair, gemonair, kimberly , diamante simulado Linde , nier - gem , regalair , replique , somerset , triamond , YAlG y granate de itrio . La producción para el comercio de gemas disminuyó después de la introducción de la zirconia cúbica sintética ; a partir de 1995Había poca producción. [ 1 ] Existe cierta demanda como granate sintético y para diseños donde el índice de refracción muy alto de la zirconia cúbica no es deseable.

Variedades de uso técnico

Nd:YAG

Varilla láser Nd:YAG de 0,5 cm de diámetro.

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 , empleándose en todo tipo de aplicaciones, desde láseres de onda continua de baja potencia hasta láseres pulsados ​​( conmutados Q ) de alta potencia con niveles de potencia medidos en kilovatios. [ 10 ] La conductividad térmica del Nd:YAG es mayor y su tiempo de vida de fluorescencia es aproximadamente el doble que el de los cristales de Nd:YVO 4 ; sin embargo, no es tan eficiente ni tan estable, lo que requiere temperaturas controladas con mayor precisión. La mejor banda de absorción del Nd:YAG para el bombeo del láser se centra en 807,5  nm y tiene  un ancho de 1 nm. [ 11 ]

La mayoría de los láseres Nd:YAG producen luz infrarroja con una longitud de onda de 1064  nm. Esta longitud de onda es bastante peligrosa para la visión, ya que el cristalino del ojo puede enfocarla en la retina ; sin embargo, es invisible y no provoca el reflejo de parpadeo . Los láseres Nd:YAG también se pueden usar con cristales duplicadores o triplicadores de 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 mayor concentración de dopante para láseres pulsados; una menor concentración es adecuada para láseres de onda continua. El Nd:YAG es de color rosa violáceo, y las varillas con menor dopaje presentan un color menos intenso que las de mayor dopaje. Dado que su espectro de absorción es estrecho, el tono depende de la luz bajo la cual se observa.

Nd:Cr:YAG

El YAG dopado con neodimio y cromo ( Nd:Cr:YAG o Nd/Cr:YAG ) presenta características de absorción superiores a las del Nd:YAG. Esto se debe a que la energía es absorbida por las amplias bandas de absorción del dopante Cr³⁺ y luego transferida al Nd³⁺ 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 de satélite de energía solar . [ 13 ]

Er:YAG

El YAG dopado con erbio ( Er:YAG ) es un medio láser activo que emite a 2940  nm. Sus bandas de absorción, adecuadas para el bombeo, son amplias y se encuentran entre 600 y 800  nm, lo que permite un bombeo eficiente con lámparas de destello. La concentración de dopante utilizada es alta: se reemplaza aproximadamente el 50 % de los átomos de itrio. 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 en medicina y odontología; se utiliza para el tratamiento del esmalte dental y en cirugía estética. El Er:YAG se utiliza para la monitorización no invasiva de la glucosa en sangre . Las propiedades mecánicas del Er:YAG son esencialmente las mismas que las del Nd:YAG. El Er:YAG opera en longitudes de onda donde el umbral de daño ocular es relativamente alto (ya que la luz se absorbe antes de incidir en la retina ), funciona bien a temperatura ambiente y tiene una alta eficiencia de pendiente . El Er:YAG es rosa. [ 14 ]

Yb:YAG

El YAG dopado con iterbio ( Yb:YAG ) es un medio láser activo que emite a 1030  nm, con una  banda de absorción amplia de 18 nm 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 dopaje utilizados varían entre el 0,2 % y el 30 % de átomos de itrio reemplazados. El Yb:YAG tiene un calentamiento fraccional muy bajo, una eficiencia de pendiente muy alta , [ 16 ] y no presenta absorción en estado excitado ni conversión ascendente, además de una alta resistencia mecánica y una alta conductividad térmica. El Yb:YAG puede ser bombeado por diodos láser InGaAs fiables a 940 o 970 nm. 

El láser 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 a los láseres de argón  de 514 nm .

Nd:Ce:YAG

El YAG doblemente dopado con neodimio y cerio ( Nd:Ce:YAG o Nd,Ce:YAG ) es un material activo para medios láser 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 de 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 de emisión láser, 1064  nm, es la misma que la del Nd:YAG. El material tiene buena resistencia al daño causado por la radiación UV de la fuente de bombeo y un bajo umbral de emisión láser . Normalmente, entre el 1,1 % y el 1,4 % de los átomos de Y se sustituyen por Nd y entre el 0,05 % y el 0,1 % por Ce.

Ho:Cr:Tm:YAG

El YAG triplemente dopado con holmio , cromo y tulio ( Ho:Cr:Tm:YAG o Ho,Cr,Tm:YAG ) es un material activo para medios láser de alta eficiencia. Emite láser a 2080  nm y puede ser bombeado por una lámpara de destellos o un diodo láser. [ 17 ] Se utiliza ampliamente en el ámbito militar, médico y meteorológico. Funciona bien a temperatura ambiente, tiene una alta eficiencia de pendiente y opera en una longitud de onda donde el umbral de daño ocular es relativamente alto. Cuando se bombea por un diodo, se puede utilizar la  banda de 785 nm para el ion Tm³⁺ . [ 17 ] Otras bandas de bombeo importantes se encuentran entre 400 y 800  nm. Los niveles de dopaje utilizados son 0,35 at.% Ho, 5,8 at.% Tm y 1,5 at.% Cr. Las varillas tienen un color verde, impartido por el cromo(III).

Tm:YAG

El YAG dopado con tulio ( Tm:YAG ) es un medio láser activo que opera entre 1930 y 2040  nm. Es apto para bombeo por diodos. Un láser Tm:YAG de modo dual emite dos frecuencias separadas por 1  GHz.

Cr 4+ :YAG

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 conmutador Q pasivo para láseres dopados con Nd. Los dispositivos resultantes son de estado sólido, compactos y de bajo costo. El 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 materiales de conmutación Q más tradicionales como el fluoruro de litio y los colorantes orgánicos . Los niveles de dopaje utilizados varían entre 0,5 y 3 por ciento (molar). El Cr:YAG se puede utilizar para la 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:YVO₄ y Yb:YAG.

El Cr:YAG también puede utilizarse como medio de ganancia láser, produciendo láseres sintonizables con salidas ajustables entre 1350 y 1550  nm. El láser de Cr:YAG puede generar pulsos ultracortos (en el rango de los femtosegundos) cuando se bombea a 1064  nm mediante un láser de Nd:YAG. [ 18 ]

Se ha demostrado la utilidad del Cr:YAG en una aplicación de óptica no lineal como espejo conjugado de fase autoamplificado en un resonador de bucle de Nd:YAG. Este espejo compensa las aberraciones de fase y polarización inducidas en el resonador de bucle.

Dy:YAG

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. El Dy:YAG es sensible en rangos de 300 a 1700 K. [ 20 ] El fósforo se puede aplicar directamente a la superficie medida o al extremo de una fibra óptica . También se ha estudiado como fósforo emisor de luz blanca monofásico en diodos emisores de luz blanca con conversión de fósforo. [ 21 ]

SM:YAG

El YAG dopado con samario ( Sm:YAG ) es un fósforo sensible a la temperatura similar al Dy:YAG.

Tb:YAG

El YAG dopado con terbio ( Tb:YAG ) es un fósforo utilizado en tubos de rayos catódicos . Emite luz de color amarillo verdoso a 544  nm.

Ce:YAG

El YAG dopado con cerio (III) ( Ce:YAG o YAG:Ce ) es un fósforo , o un centelleador cuando se encuentra en forma de monocristal puro , con una amplia gama de usos. Emite luz amarilla cuando se expone 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 aparecen como luz blanca. Esta disposición produce una reproducción cromática menos que ideal . El brillo de salida disminuye con el aumento de la temperatura, alterando aún más la salida de color del dispositivo.

El 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)O₄ ( fosfato-vanadato de itrio). Asimismo, se emplea como fósforo en tubos de rayos catódicos, donde emite luz verde (530  nm) a amarillo-verde (550  nm). Al ser excitado por electrones, prácticamente no presenta fosforescencia (tiempo de decaimiento de 70 ns). Es adecuado para su uso en fotomultiplicadores .

El Ce:YAG se utiliza en escáneres PET , detectores de radiación gamma de alta energía y de partículas cargadas , y pantallas de imágenes de alta resolución para radiación gamma, rayos X , radiación beta y radiación ultravioleta .

El Ce:YAG se puede dopar aún más con gadolinio .

Véase también

Referencias

  1. ^ Instituto Gemológico de América , Guía de referencia de gemas del GIA 1995 , ISBN 0-87311-019-6
  2. ↑ " YAlO3 ; YAP (YAlO)3 ht) Estructura cristalina".Materiales de Springer. Consultadoel 23 de diciembre de 2019..
  3. ↑ " Y4 Al2 O9 ; YAM (Y4 Al2 O9 rt) Estructura cristalina".Springer Materials. Consultadoel 28 de enero de 2020.
  4. ↑ Sim, SM; Keller, KA; Mah, TI (2000). "Formación de fases en polvos de granate de itrio y aluminio sintetizados por métodos químicos". Journal of Materials Science . 35 (3): 713– 717. Bibcode : 2000JMatS..35..713S . doi : 10.1023/A:1004709401795 . S2CID 92455146 . 
  5. ↑ Franta, Daniel; Mureșan, Mihai-George (2021-12-01). "Caracterización óptica de amplio rango espectral de un monocristal de granate de itrio y aluminio (YAG) mediante el modelo de dispersión universal" . Optical Materials Express . 11 (12): 3930. Bibcode : 2021OMExp..11.3930F . doi : 10.1364/OME.441088 . ISSN 2159-3930 . S2CID 239534251 .  
  6. ↑ "Óptica YAG (granate de itrio y aluminio, óxido de itrio y aluminio Y3Al5O12) personalizada" . Knight Optical . Consultado el 15 de marzo de 2022 .
  7. ↑ Do, Binh T.; Smith, Arlee V. (2009-06-20). "Umbrales de daño óptico volumétrico para granate de itrio y aluminio cristalino y cerámico dopado y sin dopar" . Applied Optics . 48 (18): 3509– 3514. Bibcode : 2009ApOpt..48.3509D . doi : 10.1364/AO.48.003509 . ISSN 0003-6935 . PMID 19543361 .  
  8. ↑ Kalisky, Yehoshua (1997). "Anfitriones para sistemas luminiscentes de estado sólido". En Rotman, Stanley R. (ed.). Materiales luminiscentes de banda ancha: teoría y aplicaciones . Springer Science & Business Media. ISBN 9780792398370.
  9. ↑ Rice, Addison. "Cómo detectar un diamante falso: ¡Qué significan realmente estas 13 pruebas!" . Sociedad Internacional de Gemas . Consultado el 15 de febrero de 2021 .
  10. ↑ V. Lupei, A. Lupei "Nd:YAG en su 50 aniversario: Aún queda mucho por aprender" Journal of Luminescence 2015, doi : 10.1016/j.jlumin.2015.04.018
  11. ↑ "Cristal ND:YAG (granate de itrio y aluminio dopado con neodimio)" . Red Optronics . Consultado el 25 de diciembre de 2005 .{{cite web}}: CS1 maint: servicio de archivado obsoleto ( enlace )
  12. ↑ ZJ Kiss y RJ Pressley (1996). "Láseres sólidos cristalinos". Actas del IEEE . 54 (10): 1236. doi : 10.1109/PROC.1966.5112 .
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  14. ↑ Lv, Haodong; Bao, Jinxiao; Chao, Luomeng; Song, Xiwen; An, Shengli; Zhou, Fen; Wang, Qingchun; Ruan, Fei; Zhang, Wen; Guo, Wenrong; Zhang, Yonghe (2019). "Mecanismo de desarrollo de cerámicas de zirconia roja dopadas con Ce preparadas mediante un método de reducción a alta temperatura" . Journal of Alloys and Compounds . 797 : 931–939 . doi : 10.1016/j.jallcom.2019.05.216 . S2CID 182269171. Consultado el 11 de abril de 2022. El granate de itrio y aluminio (YAG) es un importante material cerámico óptico, especialmente cuando se dopa con Nd y Er, ya que presenta un color específico. Por ejemplo, el Er:YAG es rosa y el Nd:YAG es de un púrpura rojizo claro. 
  15. ↑ Grant-Jacob, James A.; Beecher, Stephen J.; Parsonage, Tina L.; Hua, Ping; Mackenzie, Jacob I.; Shepherd, David P.; Eason, Robert W. (2016-01-01). "Un láser de guía de onda planar Yb:YAG de 115 W fabricado mediante deposición láser pulsada" (PDF) . Optical Materials Express . 6 (1): 91. Bibcode : 2016OMExp...6...91G . doi : 10.1364/ome.6.000091 . ISSN 2159-3930 . 
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  17. 1 2 Koechner, Walter (2006). Ingeniería de láseres de estado sólido . Springer. pág. 49. ISBN  978-0-387-29094-2.
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  21. ↑ Carreira, JFC (2017). "Fósforo emisor de luz blanca simple basado en YAG:Dy producido por síntesis de combustión en solución". Journal of Luminescence . 183 : 251–258 . Bibcode : 2017JLum..183..251C . doi : 10.1016/j.jlumin.2016.11.017 .
  22. ↑ G. Blasse y A. Bril, "Un nuevo fósforo para tubos de rayos catódicos de punto móvil para televisores en color", Appl. Phys. Lett., 11, 1967, 53-54 doi : 10.1063/1.1755025
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