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Tipos de Láser
angela.guzman@creol.ucf.edu
CREOL | The College of Optics & Photonics
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• Láseres gaseosos
• Láseres de estado sólido
• Láseres de semiconductor
• Láser de electrones libres
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Aplicaciones de los láseres
Nd: YAG
CO2
Médicas
Industria
Militares
LASER
SC
Medio ambiente
(LIDAR y sensores)
Telecom
Investigación básica
Fusión
nuclear
TiS
Nd: YAG
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Iluminación
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Metrología
Láseres gaseosos
•
•
•
•
•
•
HeNe
Vapor metálico
Argón ionizado
Excimero
Nitrógeno
CO2
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Láser de HeNe
5s 3.15 µm
4p
P=1mW
4s
633 nm
1S
2
21 eV
2 3S
20 eV
1.15 µm
3s
Colisiones
electrónicas
0
1 1S
He
Ne
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Eficiencia: 0.01%
3p
Mezcla HeNe 5:1
Presión: 5 mbar
Bombeo: descarga
V=2kV, I=10 mA
Alta coherencia: holografía
Láser de vapor metálico (Cu, Au, Pb, Cd)
2P
3/2
2P
1/2
510 nm
578 nm
2D
Colisiones
electrónicas
2S
T = 1500o C ± 20o C
2D
3/2
5/2
0
Cu
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Bombeo: Pulsos eléctricos
Energía: 10mJ
Duración: 10 ns
Tasa de repetición: 3kHz
Solo en modo pulsado
Alta Ganancia 7m-1
Eficiencia: 1%
Medicina: Fototerapia
Láser de
(Ar+)*
21 eV
+
Ar
3p4 4p
3p4 4s
Ar+
Ar
15 eV
0
3p5
3p6
488 nm
Potencia: 20W, Eficiencia <0.1%
Presión: 0.1 mbar
Bombeo: descarga, V=5kV, I=10 A
Bombeo de otros: colorante y TiS
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514.5 nm
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Láser de Excímero
Energía
(KrF)*
1 ns
Kr+F
248 nm
Duración del pulso: 30 ns
Energía por pulso: 100J
Eficiencia: 1%
Litografía UV (estructuras
de 45 nm con ArF (193nm))
Distancia internuclear
Bombeo: descarga eléctrica pulsada. V=1MV, I=10kA
Colisiones de electrones con Kr y reacción química de
Kr* + F2 → (KrF)*+F.
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Láser de CO2
•
•
•
•
•
Transiciones entre estados vibracionales de la molécula
Alta eficiencia : 10-50%
Diferentes modos de operación: cw, pulsado, TEA.
CW: 100W para L=1m
TEA: Pulsos de 100ns a 100kW
Aplicaciones:
• Industria: corte, soldadura
• Medicina
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Láseres de estado sólido
•
•
•
•
Rubí
TiS
Láseres YAG
Láser de fibra
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Láser de TiS
•
•
•
•
•
•
•
•
3+
(Ti :Al2O3)
Amplia banda para bombeo (con lámpara o láser)
Nivel láser superior de largo tiempo de vida
Distribución ancha de niveles inferiores (sintonizable)
CW: Rojo e IR
Pulsado: 5-100 fs
Concentración de dopado con Ti2O3: 0.03%
Cristal de gran dureza
Alta conductividad calorífica
P. Moulton, JOSA B 3, 125, 1986
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Láser de TiS
3+
(Ti :Al2O3)
E (eV)
Láser de cuatro niveles
10-13 s
3
kT
2
3
10-13 s
2
1
kT
0
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3.2 µs
4
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1
Láser de TiS
Láser de
bombeo
3+
(Ti :Al2O3)
Modo continuo
TiS
514.5 nm
Espejo
Etalón
Ar+
dicroico
Modo pulsado
Sintonizable
650-1200nm
TiS
532 nm
Nd:YAG doblado
Q-switched
Acoplador
de modos
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5-100ns
Láser de TiS
3+
(Ti :Al2O3)
σ gan (10−24 m2 )
σ abs (10−24 m 2 )
E c
absorción
6
20
Ganancia
E c
4
10
2
Sintonizabilidad
E ⊥ c
0
400
700
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1000
λ ( nm )
0
Láseres YAG (Y3Al5O12)
Láser
λ (µm) λb(nm) τesp(µs) ∆ν(GHz) σgan(m2)
Nd:YAG 1.06
Yb:YAG 1.03
Pr:YAG 1.03
Er:YAG 2.94
808
941
968
941
800
970
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230
960
140
1700
3x10-22
2.1x10-24
Nd: YAG
Iones Nd3+ remplazan 1% de iones Y3+
Bombeo óptico: lámpara o láser de semiconductor
Potencia: 1-10W
Pulsos gigantes: 1J
Aplicaciones:
• Industria: Procesamiento de material: taladrar,
soldar, grabar
• Medicina: Cirugía, cirugía oftálmica, dermatología
• Fusión nuclear
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L
a
s
e
r
Laser Omega
Universidad de Rochester
60 rayos láser
Disparo de 20kJ
d
e
http://hedp.physics.ucla.edu/
N
d
Y
A
G
Cámara del blanco en la NIF
(National Ignition Facility)
del Lawrence Livermore
National Laboratory. (10m de
diámetro)
http://hedp.physics.ucla.edu/
192 rayos láser
1.8 MJ
500 Terawatt (TW)
Lámparas flash en NIF
Lámpara flash
de Maiman
2m
https://lasers.llnl.gov/education/how_lasers_work.php
Láseres de disco
Láser de
bombeo
940 nm
Yb3+:YAG
100-200µm
Refrigeración
Reflector
1030nm
Reflector
parcial
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Espejo
dicroico
Haz de
gran
calidad
Ventajas de bombeo con LD (DPSSL)
• Ajuste de la longitud de onda de emisión del diodo
con la banda de absorción del medio activo
• Fácil ajuste del perfil del haz del diodo laser al modo
fundamental del resonador laser
• LD tiene eficiencias de mas del 30% para alta
potencia y de mas del 85% para potencia baja.
• Tiempo de vida del LD es de mas de 5000 horas
• Sistema de enfriamiento simple
• Bajo costo y bajo peso.
Láseres de fibra*
Redes de Bragg
Núcleo
Funda 1
Funda 2
Láser de bombeo
Acoplado al
recubrimiento
http://www.orc.soton.ac.uk/61.html
*Ver curso Prof. J. Cascante
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Láseres de fibra*:
Vidrio dopado con iones de tierras raras
Aplicaciones:
• Procesamiento de materiales (3:13)
• Química, Medicina, Biología
• El segundo armónico para bombear otros láseres
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Láseres de fibra*:
Vidrio dopado con iones de tierras raras
Láser
Fibra Yb3+
Fibra Yb3+/Er3+
Fibra Pr3+/Er3+
Fibra Tm3+
Fibra Ho3+
λ (µm)
1.02-1.2
1.5-1.6
2.7-2.8
1.85-2.1
2.1 y 2.9
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Dopado (%peso)
4
8/1
8/8
4
3
Láseres de semiconductor
•
•
•
•
Homojuntura
Doble heterojuntura
De pozo cuántico (QWL)
De cascada cuántica (QCL)
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Semiconductores
Gap Directo
Gap Indirecto
Banda de
E
conducción
E
Eg
k
AsGa
Fuentes
Banda de
valencia
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∆k
Si, Ge:
Detectores
k
Semiconductores directos
III
IV V
Al
Ga
In
Si P
Ge As
Sn Sb
GaAs1-xSbx
In1-xGaxAsyP1-y
In1-xGaxAs
λ(µm)
Ga1-xAlxAs
0.6
0.8
Ga1-xAlxAs
0.1
0.4 x
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1
λ(µm)
10
Light Emitting Diode (LED)
Juntura np
n
p
-
+
-
Banda de conducción
EFermi
EFermi
Banda de valencia
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+
Homo- y Heterojunturas
Homojuntura = una juntura n-p hecha de dos
semiconductores con diferente dopado pero del
mismo material (igual gap de energía).
Heterojuntura = juntura formada entre
semiconductores con diferente gap de energía.
LED o LD de heteroestructura = estructura con
junturas entre materiales con diferente gap de
energía.
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Homojuntura
Heterojuntura
Región p delgada no
• Resuelve el
reabsorción de la luz. Si la
problema de
región p es muy delgada, los
reabsorción
electrones pueden escapar
• Confinamiento de
de la región p por difusión y
portadores
recombinarse en procesos no
radiativos.
Región p gruesa Reabsorción de la luz antes
de abandonar el dispositivo.
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LED de doble heteroestructura
p
p
n
+
λ=0.89 µm
∆λ=40 nm
Ga1-xAlxAs GaAs Ga1-yAlyAs
40 nm
0.88 0.92
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λ(µm)
LED (emisor de lado)
Contacto metálico
10µm
Area de
emisión
SiO2
AlGaAs
0.3-0.5µm
GaAs
P(mW)
1.0
0.5
I(mA)
300µm
ηext =
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100
Popt
IV
200
×100%
Diodo láser (LD)
Ga1-yAlyAs
+
GaAs
Ga1-xAlxAs
Confinamiento óptico
n
λ=0.9µm
3.5
Ga1-xAlxAs
3.2
x
0.2 0.4
Guía de onda: La luz es
atrapada en la película de GaAs
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x ∼ 0.35 − 0.5
∆n ∼ 5 − 10%
Diodo láser (LD)
P(mW)
60
40
Superradiancia LD
20
EE LED
200
600
400
Iumbral
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ηD =
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I(mA)
∆Popt
e
∆I hν foton
Características espectrales
Superradiancia
EE LED
0.88 0.90 0.92 0.94
λ(µm)
LD
0.898
0.900
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λ(µm)
0.902
Láser DBR
Láser DFB
Reflector Sección
de Bragg de fase
Reflector de Bragg
Sección de ganancia
Sección de ganancia
Alta potencia, sintonizables, alta monocromaticidad
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Espectros
Láser Fabry-Perot
P(mW)
Láser DFB
P(mW)
4nm
λ(nm)
λ(nm)
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1nm
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Láser de Semiconductor
• Convierte corriente eléctrica en luz
• Tiene un alto coeficiente de ganancia (>10cm-1).
HeNe (10-3cm-1), CO2(0.05 cm-1)
• Puede alcanzar eficiencias de mas de 50%.
• Opera en modo continuo o pulsado
• Puede ser diseñado para una determinada λ
• Sus dimensiones son pequeñas.
QW: Edge: 200µmx1µmx500µm
VCSEL: 10µmx10µmx100µm
• Puede producirse en masa
• Otros láseres son mas direccionales y monocromáticos
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Láser de pozo cuántico (QW)
GaAlAs GaAs GaAlAs
Subbanda
electrones
Eg
1.42 eV
2D
g
E
1.45 eV
Subbanda
huecos
d
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•
•
•
•
Corriente umbral baja
Alta ganancia diferencial
λ(d) (geometría)
Visible, IR cercano y UV
Láser de pozo cuántico (QW)
Metal
1.5µm
0.2µm
0.2µm
1.5µm
p Ga0.75Al0.25As
QW: GaAs
n Ga0.75Al0.25As
Sustrato: n+GaAs
Metal
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p Ga0.9Al0.1As
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n Ga0.9Al0.1As
QW Láser:
materiales y λ
ZnSe
GaN
AlGaN
AlGaInN
Sustrato de
Zafiro
0.4
GaAs
AlGaAs
AlGaInAs
AlGaInP
Sustrato GaAs
0.8
1.2
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InP
GaInAs
GaInAsP
AlGaInP
Sustrato InP
1.6 λ(µm) 2.0
QW Láser: Gap de energía
Eg(eV)
AlAs
2
1
6
AlGaAs
InP
GaAs
GaInAs
4
InAs
v
0
GaAlN
GaN
InSb
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2
0
0.55 0.6 0.65
d(nm)
UNIVERSITY
Eg(eV)
AlN
FLORIDA
InAlN
InN
0.3
0.35
d(nm)
Láseres en el azul (GaN)
n-AlGaN
GaN con MQW
de InGaN
AlGaN
p-AlGaN
413 nm
Estructura de guía de onda
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+
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Láseres en el verde (Grupo II-IV)
Eg(eV)
4
ZnS
ZnSe
2
ZnTe
CdS
CdMnTe
CdSe
CdTe
GaAs
0
0.55
0.6
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0.65 d(nm)
Láser de Semiconductor y QCL
Banda de conducción
Láser de cascada cuántica
QCL (2-28µm)
-
Sub-banda 2
Eg
(GaAs:1.42 eV)
-
IR-UV
Sub-banda 1
+
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Sub-banda 0
-
Banda de valencia
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IR-FIR
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Láser de cascada cuántica (QCL)
Transiciones intersubbanda
Campo eléctrico
estático
2
1
0
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Láser de cascada cuántica (QCL)
Transiciones intersubbanda
Campo eléctrico
estático
-
-
U periodo ≈ E2 − E0
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Cientos
de
periodos
Láser de SC: aplicaciones
•
•
•
•
•
•
•
Memorias ópticas (CD, BlueRay)
Proyección en color
Impresora láser
Sensores
Microcontroladores
Telecomunicaciones
Bombeo de otros láseres
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Láser de electrones libres
(RayosX)
http://www.photonics.com/Article.aspx?AID=42142
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Ondulador del LCLS-I
en el SLAC National
Accelerator Laboratory.
Generó pulsos láser de
rayos X en Abril 2009. Se
construirá un segundo
ondulador a la
izquierda.
Rayos X (tabletop)
ASE
Rayos X blandos
Universidad de Bern, J. Balmer
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La columna de
plasma producida
por el pulso de
bombeo enfocado
linealmente se
comporta como un
medio de ganancia
de un solo paso.
Ancho de línea
relativo <10-4.
Aplicación: Litografía
La tecnología continua evolucionando:
• Láseres que han entrado en desuso:
Laser de colorante y He-Ne
• Láseres con mercado estable:
CO2, Excímeros, láseres de iones
• Láseres con aplicaciones muy particulares :
He-Cd, vapor de Cu, centros de color, rubí, FEL.
• Láseres más usados actualmente:
Diodos laser, DPSSLs, TiS, láseres de fibra.
• Láseres novedosos:
DPSSL y fibra de alta potencia, láseres en matriz
cerámica, QCL, QWL.
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Aplicaciones de los láseres
• 1960
Un dispositivo en busca de una aplicación
• 2012
Miles de aplicaciones que explotan las
propiedades especiales de la luz láser
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GRACIAS!
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