láser de colorante

Un láser de colorante es un láser que utiliza un colorante orgánico como medio láser , generalmente en solución líquida . En comparación con los gases y la mayoría de los medios láser de estado sólido , un colorante suele utilizarse para un rango de longitudes de onda mucho más amplio , que a menudo abarca de 50 a 100 nanómetros o más. El amplio ancho de banda los hace particularmente adecuados para láseres sintonizables y láseres pulsados. El colorante rodamina 6G, por ejemplo, puede sintonizarse desde 635 nm (rojo anaranjado) hasta 560 nm (amarillo verdoso) y producir pulsos de tan solo 16 femtosegundos. ^{[ 1 ]} Además, el colorante puede sustituirse por otro tipo para generar un rango de longitudes de onda aún más amplio con el mismo láser, desde el infrarrojo cercano hasta el ultravioleta cercano, aunque esto generalmente requiere sustituir también otros componentes ópticos del láser, como espejos dieléctricos o láseres de bombeo.  

Los láseres de colorante fueron descubiertos independientemente por PP Sorokin , FP Schäfer (y colegas) y Mary Spaeth en 1966. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Además del estado líquido habitual, los láseres de colorante también están disponibles como láseres de colorante de estado sólido (SSDL). Estos láseres SSDL utilizan matrices orgánicas dopadas con colorante como medio de ganancia.

Un láser de colorante utiliza un medio de ganancia compuesto por un colorante orgánico , que es una tinción soluble a base de carbono, a menudo fluorescente, como el colorante de un rotulador fluorescente . El colorante se mezcla con un disolvente compatible , lo que permite que las moléculas se difundan uniformemente por todo el líquido. La solución de colorante puede circular a través de una celda de colorante o fluir al aire libre mediante un chorro de colorante. Se necesita una fuente de luz de alta energía para "bombear" el líquido más allá de su umbral de láser . Generalmente se utiliza un tubo de descarga rápida o un láser externo para este propósito. También se necesitan espejos para oscilar la luz producida por la fluorescencia del colorante, que se amplifica con cada paso a través del líquido. El espejo de salida suele tener una reflectividad de alrededor del 80%, mientras que todos los demás espejos suelen tener una reflectividad superior al 99,9%. La solución de colorante generalmente circula a alta velocidad para ayudar a evitar la absorción de tripletes y disminuir la degradación del colorante. Generalmente se monta un prisma o una rejilla de difracción en la trayectoria del haz para permitir su ajuste.

Debido a que el medio líquido de un láser de colorante puede adaptarse a cualquier forma, existen multitud de configuraciones diferentes que se pueden utilizar. Para los láseres bombeados por tubo de destello, se suele emplear una cavidad láser Fabry-Pérot , que consta de dos espejos, planos o curvos, montados en paralelo entre sí con el medio láser entre ellos. La celda de colorante suele ser un tubo delgado de longitud aproximadamente igual a la del tubo de destello, con ventanas y una entrada/salida para el líquido en cada extremo. La celda de colorante se bombea normalmente de forma lateral, con uno o más tubos de destello que discurren en paralelo a la celda de colorante en una cavidad reflectora. La cavidad reflectora suele refrigerarse por agua para evitar el choque térmico en el colorante causado por la gran cantidad de radiación infrarroja cercana que produce el tubo de destello. Los láseres bombeados axialmente tienen un tubo de destello hueco de forma anular que rodea la celda de colorante, el cual tiene una inductancia menor para un destello más corto y una eficiencia de transferencia mejorada. Los láseres bombeados coaxialmente tienen una celda de tinte anular que rodea el tubo de destello, para una eficiencia de transferencia aún mejor, pero tienen una ganancia menor debido a las pérdidas por difracción. Los láseres bombeados por destello solo se pueden usar para aplicaciones de salida pulsada. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

Un diseño de láser de anillo se suele elegir para operación continua, aunque a veces se utiliza un diseño Fabry-Pérot. En un láser de anillo, los espejos del láser se colocan para permitir que el haz viaje en una trayectoria circular. La celda de tinte, o cubeta, suele ser muy pequeña. A veces se utiliza un chorro de tinte para ayudar a evitar pérdidas por reflexión. El tinte generalmente se bombea con un láser externo, como un láser de nitrógeno , excímero o Nd:YAG de frecuencia duplicada . El líquido circula a velocidades muy altas para evitar que la absorción de tripletes corte el haz. ^{[ 7 ]} A diferencia de las cavidades Fabry-Pérot, un láser de anillo no genera ondas estacionarias que causan quemado espacial de agujeros , un fenómeno en el que la energía queda atrapada en porciones no utilizadas del medio entre las crestas de la onda. Esto conduce a una mejor ganancia del medio láser. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Los colorantes utilizados en estos láseres contienen moléculas orgánicas bastante grandes que fluorescen. La mayoría de los colorantes tienen un tiempo muy corto entre la absorción y la emisión de luz, denominado tiempo de vida de fluorescencia, que suele ser del orden de unos pocos nanosegundos. (En comparación, la mayoría de los láseres de estado sólido tienen un tiempo de vida de fluorescencia que oscila entre cientos de microsegundos y unos pocos milisegundos). En condiciones estándar de bombeo láser, las moléculas emiten su energía antes de que se pueda acumular adecuadamente una inversión de población , por lo que los colorantes requieren medios de bombeo bastante especializados. Los colorantes líquidos tienen un umbral de láser extremadamente alto . Además, las moléculas grandes están sujetas a transiciones complejas de estado excitado durante las cuales el espín puede "invertirse", pasando rápidamente del estado "singlete" útil y de emisión rápida al estado "triplete" más lento. ^{[ 10 ]}

La luz incidente excita las moléculas del colorante, preparándolas para emitir radiación estimulada : el estado singlete . En este estado, las moléculas emiten luz por fluorescencia y el colorante es transparente a la longitud de onda del láser. En un microsegundo o menos, las moléculas cambian a su estado triplete . En el estado triplete, la luz se emite por fosforescencia y las moléculas absorben la longitud de onda del láser, lo que hace que el colorante sea parcialmente opaco. Los láseres bombeados por lámparas de destello necesitan un destello de duración extremadamente corta para suministrar la gran cantidad de energía necesaria para que el colorante supere el umbral antes de que la absorción del triplete venza la emisión del singlete. Los láseres de colorante con un láser de bombeo externo pueden dirigir suficiente energía de la longitud de onda adecuada al colorante con una cantidad relativamente pequeña de energía de entrada, pero el colorante debe circular a altas velocidades para mantener las moléculas de triplete fuera de la trayectoria del haz. Debido a su alta absorción, la energía de bombeo a menudo puede concentrarse en un volumen de líquido bastante pequeño. ^{[ 11 ]}

Dado que los colorantes orgánicos tienden a descomponerse bajo la influencia de la luz, la solución colorante normalmente circula desde un gran depósito. ^{[ 12 ]} La solución colorante puede fluir a través de una cubeta , es decir, un recipiente de vidrio, o como un chorro de colorante , es decir, como una corriente laminar al aire libre desde una boquilla de forma especial . Con un chorro de colorante, se evitan las pérdidas por reflexión en las superficies de vidrio y la contaminación de las paredes de la cubeta. Estas ventajas conllevan una alineación más compleja.

Los colorantes líquidos tienen una ganancia muy alta como medios láser. El haz solo necesita hacer unos pocos pasos a través del líquido para alcanzar la potencia de diseño completa y, por lo tanto, la alta transmitancia del acoplador de salida . La alta ganancia también conlleva grandes pérdidas, ya que las reflexiones de las paredes de la celda de colorante o del reflector de la lámpara de destellos provocan oscilaciones parásitas , reduciendo drásticamente la cantidad de energía disponible para el haz. Las cavidades de bombeo suelen estar recubiertas , anodizadas o fabricadas con un material que no refleje la longitud de onda de emisión láser, pero sí la de bombeo. ^{[ 11 ]}

Una ventaja de los colorantes orgánicos es su alta eficiencia de fluorescencia. Las mayores pérdidas en muchos láseres y otros dispositivos de fluorescencia no se deben a la eficiencia de transferencia (energía absorbida frente a energía reflejada/transmitida) ni al rendimiento cuántico (número de fotones emitidos por número absorbido), sino a las pérdidas que se producen cuando los fotones de alta energía se absorben y se reemiten como fotones de longitudes de onda más largas. Dado que la energía de un fotón está determinada por su longitud de onda, los fotones emitidos tendrán menor energía; un fenómeno conocido como desplazamiento de Stokes . Los centros de absorción de muchos colorantes están muy cerca de los centros de emisión. A veces, están lo suficientemente cerca como para que el perfil de absorción se solape ligeramente con el perfil de emisión. Como resultado, la mayoría de los colorantes presentan desplazamientos de Stokes muy pequeños y, por consiguiente, permiten menores pérdidas de energía que muchos otros tipos de láseres debido a este fenómeno. Los amplios perfiles de absorción los hacen especialmente adecuados para el bombeo de banda ancha, como el de un tubo de destello. También permite utilizar una amplia gama de láseres de bombeo para un mismo colorante y, a la inversa, se pueden utilizar muchos colorantes diferentes con un solo láser de bombeo. ^{[ 10 ]}

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  Una cubeta utilizada en un láser de colorante. Una fina lámina de líquido se hace pasar entre las ventanas a alta velocidad. Las ventanas están ajustadas al ángulo de Brewster (interfaz aire-vidrio) para el láser de bombeo y al ángulo de Brewster (interfaz líquido-vidrio) para el haz emitido.
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  Desplazamiento de Stokes en rodamina 6G durante la absorción/emisión de banda ancha. En el funcionamiento del láser, el desplazamiento de Stokes es la diferencia entre la longitud de onda de bombeo y la de salida.

Los láseres de colorante de onda continua (CW) ^{[ 13 ]} suelen utilizar un chorro de colorante. Los láseres de colorante CW pueden tener una cavidad lineal o anular, y sentaron las bases para el desarrollo de los láseres de femtosegundos.

La emisión de los láseres de colorante es inherentemente amplia. Sin embargo, la emisión con ancho de línea estrecho y sintonizable ha sido fundamental para el éxito de estos láseres. Para lograr una sintonización de ancho de banda estrecho, estos láseres utilizan diversos tipos de cavidades y resonadores, entre los que se incluyen rejillas, prismas, configuraciones de rejillas de prismas múltiples y etalones . ^{[ 14 ]}

El primer láser de colorante de ancho de línea estrecho, introducido por Hänsch , utilizó un telescopio galileano como expansor de haz para iluminar la rejilla de difracción. ^{[ 15 ]} A continuación, surgieron los diseños de rejilla de incidencia rasante ^{[ 16 ] [ 17 ]} y las configuraciones de rejilla de prismas múltiples . ^{[ 18 ] [ 19 ]} Los diversos diseños de resonadores y osciladores desarrollados para láseres de colorante se han adaptado con éxito a otros tipos de láser, como el láser de diodo . ^{[ 20 ]} La física de los láseres de rejilla de prismas múltiples de ancho de línea estrecho fue explicada por Duarte y Piper. ^{[ 21 ]}

Algunos de los colorantes láser son rodamina (naranja, 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 y otros. ^{[ 22 ] [ 23 ]} Si bien algunos colorantes se utilizan en colorantes alimentarios, la mayoría son muy tóxicos y a menudo cancerígenos. ^{[ 24 ]} Muchos colorantes, como la rodamina 6G (en su forma de cloruro), pueden ser muy corrosivos para todos los metales excepto el acero inoxidable. Aunque los colorantes tienen espectros de fluorescencia muy amplios, la absorción y emisión del colorante tienden a centrarse en una determinada longitud de onda y a disminuir hacia cada lado, formando una curva de sintonización, con el centro de absorción a una longitud de onda más corta que el centro de emisión. Por ejemplo, la rodamina 6G tiene su máxima emisión alrededor de los 590  nm, y la eficiencia de conversión disminuye a medida que el láser se sintoniza a ambos lados de esta longitud de onda.

Se puede utilizar una amplia variedad de disolventes, aunque la mayoría de los colorantes se disuelven mejor en algunos que en otros. Algunos de los disolventes utilizados son agua , glicol , etanol , metanol , hexano , ciclohexano , ciclodextrina y muchos otros. Los disolventes pueden ser altamente tóxicos y, en ocasiones, pueden absorberse directamente a través de la piel o mediante la inhalación de vapores. Muchos disolventes también son extremadamente inflamables. Los distintos disolventes también pueden afectar al color específico de la solución del colorante, a la vida útil del estado singlete, potenciando o atenuando el estado triplete y, por lo tanto, al ancho de banda y la potencia láser que se pueden obtener con una fuente de bombeo láser determinada. ^{[ 10 ]}

El adamantano se añade a algunos tintes para prolongar su vida útil.

El cicloheptatrieno y el ciclooctatetraeno (COT) pueden añadirse como desactivadores de tripletes para la rodamina G, aumentando así la potencia de salida del láser.  Se logró una potencia de salida de 1,4 kilovatios a 585 nm utilizando rodamina 6G con COT en una solución de metanol-agua.

Las lámparas de destello y varios tipos de láseres pueden utilizarse para bombear ópticamente láseres de colorante. Una lista parcial de láseres de excitación incluye: ^{[ 25 ]}

• láseres de vapor de cobre
• láseres de diodo
• láseres de excímeros
• Láseres Nd:YAG (principalmente segundo y tercer armónico)
• Láseres de nitrógeno
• láseres de rubí
• Láseres de iones de argón en régimen continuo
• Láseres de iones de kriptón en régimen continuo

RL Fork, BI Greene y CV Shank demostraron, en 1981, la generación de pulsos láser ultracortos utilizando un láser de colorante anular (o láser de colorante que aprovecha el bloqueo de modos por colisión de pulsos ). Este tipo de láser es capaz de generar pulsos láser de aproximadamente 0,1 ps de duración. ^{[ 26 ]}

La introducción de técnicas de rejilla y compresores de pulsos prismáticos intracavitarios dio como resultado, finalmente, la emisión rutinaria de pulsos láser de colorante de femtosegundos.

Los láseres de colorante son muy versátiles. Además de su reconocida agilidad de longitud de onda, estos láseres pueden ofrecer energías pulsadas muy elevadas o potencias medias muy altas. Se ha demostrado que los láseres de colorante bombeados por lámparas de destello producen cientos de julios por pulso, y se sabe que los láseres de colorante bombeados por láseres de cobre producen potencias medias en el rango de los kilovatios. ^{[ 27 ]}

Los láseres de colorante se utilizan en numerosas aplicaciones, entre ellas:

• astronomía (como estrellas guía láser ),
• separación de isótopos mediante láser de vapor atómico ^{[ 28 ]}
• fabricación ^{[ 29 ]}
• medicamento
• espectroscopia ^{[ 30 ]}

En medicina láser, estos láseres se aplican en varias áreas, ^{[ 31 ] [ 32 ]} incluyendo dermatología, donde se utilizan para unificar el tono de la piel. El amplio rango de longitudes de onda posibles permite una gran coincidencia con las líneas de absorción de ciertos tejidos, como la melanina o la hemoglobina , mientras que el ancho de banda estrecho que se puede obtener ayuda a reducir la posibilidad de dañar el tejido circundante. Se utilizan para tratar manchas de vino de Oporto y otros trastornos de los vasos sanguíneos, cicatrices y cálculos renales . Se pueden adaptar a una variedad de tintas para la eliminación de tatuajes , así como a otras aplicaciones. ^{[ 33 ]}

En espectroscopia, los láseres de colorante se pueden utilizar para estudiar los espectros de absorción y emisión de diversos materiales. Su capacidad de sintonización (desde el infrarrojo cercano hasta el ultravioleta cercano), su ancho de banda estrecho y su alta intensidad permiten una diversidad mucho mayor que otras fuentes de luz. La variedad de anchos de pulso, desde pulsos ultracortos de femtosegundos hasta el funcionamiento en onda continua, los hace adecuados para una amplia gama de aplicaciones, desde el estudio de la vida útil de la fluorescencia y las propiedades de los semiconductores hasta experimentos de medición de distancias con láser en la Luna . ^{[ 34 ]}

Los láseres sintonizables se utilizan en metrología de frecuencia variable para permitir la medición de distancias absolutas con muy alta precisión. Se configura un interferómetro de dos ejes y, al variar la frecuencia, la frecuencia de la luz que regresa del brazo fijo es ligeramente diferente de la frecuencia que regresa del brazo de medición de distancia. Esto produce una frecuencia de batido que se puede detectar y utilizar para determinar la diferencia absoluta entre las longitudes de los dos brazos. ^{[ 35 ]}

• Tinte láser : tinte utilizado como medio láser. 
• Láser orgánico : Láser que utiliza un material a base de carbono como medio de ganancia. 
• Láser de colorante de estado sólido : láser con una matriz orgánica dopada con colorante. 
• Láser sintonizable : láser con longitud de onda variable. 

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