La tecnología de láseres para la generación de luz ultravioleta implica una serie de retos:

 

Para longitudes de onda cortas, la fuerte emisión espontánea conduce a un alto umbral de potencia de bombeo (excepto cuando el ancho de banda de ganancia es estrecho).

Para longitudes de onda inferiores a ≈ 200 nm, la elección de materiales ópticos transparentes y resistentes a los rayos UV es bastante limitada (consulte el artículo sobre la luz ultravioleta).

Incluso la rugosidad superficial débil o el contenido de burbujas de los componentes ópticos pueden provocar fuertes distorsiones del frente de onda y pérdidas por dispersión.

Sin embargo, existen varios tipos de láseres que pueden generar directamente luz ultravioleta:

 

Hay diodos láser, normalmente basados ​​en nitruro de galio (GaN), que emiten en la región del ultravioleta cercano. Sin embargo, los niveles de potencia disponibles son limitados.

Algunos láseres a granel de estado sólido, por ejemplo, basados ​​en cristales dopados con cerio como Ce3+:LiCAF o Ce3+:LiLuF4, pueden emitir luz ultravioleta. Los láseres de cerio se bombean en la mayoría de los casos con pulsos de nanosegundos desde un láser de conmutación Q de frecuencia cuadruplicada y, por lo tanto, emiten pulsos de nanosegundos. Con los láseres de microchip Q-switched, son posibles incluso duraciones de pulso de subnanosegundos. También se ha demostrado el funcionamiento en modo bloqueado [14].

Pocos láseres de fibra pueden generar luz ultravioleta [10]. Por ejemplo, algunas fibras de fluoruro dopadas con neodimio se pueden usar para láseres que emiten alrededor de 380 nm, pero solo a niveles de potencia bajos.

Aunque la mayoría de los láseres de colorante emiten luz visible, algunos colorantes láser son adecuados para la emisión ultravioleta.

Los láseres excimer son fuentes ultravioleta muy potentes , que también emiten pulsos de nanosegundos, pero con potencias de salida promedio entre unos pocos vatios y cientos de vatios. Las longitudes de onda típicas están entre 157 nm (F2) y 351 nm (XeF).

Los láseres de iones de argón pueden emitir continuamente en longitudes de onda de 334 y 351 nm, aunque con potencias más bajas que en la línea habitual de 514 nm. Algunas otras líneas ultravioleta son accesibles con láseres de iones de criptón.

También hay láseres de iones que emiten en la región espectral del ultravioleta extremo. Éstos pueden estar basados, por ejemplo, en argón, pero a diferencia de los láseres de iones de argón ordinarios, uno funciona con iones Ar8+, generados en un plasma mucho más caliente. La emisión se produce entonces a 46,9 nm. Dichos láseres se pueden bombear con una descarga capilar o con un pulso láser intenso.

Los láseres de nitrógeno son láseres de gas molecular que emiten en el ultravioleta. La línea de emisión más fuerte está en 337,1 nm.

Los láseres de electrones libres pueden emitir luz ultravioleta de prácticamente cualquier longitud de onda y con potencias promedio altas. Sin embargo, son fuentes muy costosas y voluminosas y, por lo tanto, no se usan mucho.

Además de los láseres ultravioleta reales, existen fuentes de láser ultravioleta basadas en un láser con una longitud de onda más larga (en la región espectral visible o del infrarrojo cercano) y uno o varios cristales no lineales para la conversión de frecuencia no lineal. Algunos ejemplos:

 

La longitud de onda de 355 nm se puede generar triplicando la frecuencia de salida de un láser Nd:YAG o Nd:YVO4 de 1064 nm.

La luz de 266 nm se obtiene con dos duplicadores de frecuencia posteriores, que en efecto cuadruplican la frecuencia del láser.

La luz de 213 nm corresponde al 5º armónico de 1064 nm, que se obtiene triplicando o cuadruplicando la frecuencia más la generación de la suma de la frecuencia. En general, esa conversión puede no ser muy eficiente, pero las potencias de salida relativamente bajas son suficientes para algunas aplicaciones.

Los láseres de diodo se pueden equipar con etapas de conversión de frecuencia no lineal para producir luz ultravioleta. Por ejemplo, se puede usar un láser de infrarrojo cercano de onda continua y aplicar la frecuencia resonante duplicando dos veces, llegando a longitudes de onda de alrededor de 300 nm. Una atracción principal de este enfoque es que se puede acceder a una amplia gama de longitudes de onda, sin limitaciones para ciertas líneas láser.

Los láseres ultravioleta deben fabricarse con óptica ultravioleta especial, que tenga una alta calidad óptica y (particularmente para láseres pulsados) una alta resistencia a la luz ultravioleta. En algunos casos, la vida útil de un láser UV está limitada por la vida útil de los elementos ópticos utilizados, como los espejos láser.

 

Para la región del ultravioleta extremo, existen fuentes basadas en la generación de armónicos elevados. Dichas fuentes pueden alcanzar longitudes de onda de hasta unos pocos nanómetros sin dejar de tener un formato de mesa. Las potencias de salida promedio, sin embargo, son bastante bajas.

 

Acoplamiento de fibra

La entrega de luz ultravioleta en fibras ópticas es posible incluso en longitudes de onda bastante cortas, pero implica limitaciones más serias, en comparación con las fuentes de la región espectral visible o infrarroja. Por ejemplo, las fibras de sílice pueden presentar una degradación sustancial (llamada solarización) cuando se exponen a luz de longitud de onda corta, pero esa tendencia depende en gran medida de la composición química de la sílice fundida. También hay intentos de usar fibras de núcleo hueco para la transmisión de UV; la idea básica es tener la mayor parte de la luz ultravioleta en el núcleo de aire, con solo una pequeña superposición con el material de sílice que proporciona la guía. Ese principio se puede utilizar incluso en regiones de longitud de onda donde la absorción de sílice fundida es sustancial.

 

Aplicaciones

Los láseres ultravioleta encuentran diversas aplicaciones:

Los láseres ultravioleta pulsados ​​de alta potencia se pueden utilizar para cortar y perforar agujeros pequeños en una variedad de materiales, incluidos los materiales que son transparentes a la luz visible. Tienen una participación de mercado sustancial en el área del micromaquinado láser, a pesar del costo más alto en comparación con las fuentes láser infrarrojas.

Los pulsos UV de alta energía se utilizan para la técnica de espectroscopia de descomposición inducida por láser.

Con energías de pulso mucho más bajas en un haz enfocado con precisión, se puede, por ejemplo, hacer una microdisección de materiales biológicos bajo un microscopio, o realizar un análisis de fotoluminiscencia (mediciones de la vida útil de la fluorescencia).

Las fuentes UV de onda continua son necesarias para la microlitografía y la inspección de obleas, por ejemplo, en el contexto de la fabricación de chips semiconductores. Otra aplicación es la espectroscopia UV Raman.

Tanto los láseres UV de onda continua como los pulsados ​​se utilizan para fabricar rejillas de Bragg de fibra.

Algunos métodos de cirugía ocular, en particular la cirugía ocular con láser refractivo de la córnea en forma de LASIK, requieren fuentes de láser UV (a veces incluso UV profundo).

Las fuentes de láser ultravioleta implican algunos riesgos de seguridad especiales, en su mayoría relacionados con los riesgos de daño ocular y cáncer de piel. El artículo sobre seguridad láser da algunos detalles.

 

Problemas de por vida

En comparación con las fuentes de láser infrarrojo y visible, las fuentes de láser ultravioleta tentativamente tienen más problemas con la vida útil limitada de los dispositivos. Esto se debe esencialmente a que diversos materiales ópticos (por ejemplo, cristales láser, cristales no lineales y elementos ópticos) presentan efectos de degradación iniciados por la absorción de luz ultravioleta. Otro problema que se encuentra a veces es que los hidrocarburos, resultantes, por ejemplo, de la desgasificación de los lubricantes de los soportes de los espejos, se descomponen con la luz ultravioleta, lo que puede conducir a la deposición de hollín negro sobre los elementos ópticos. Estos problemas deben tratarse cuidadosamente en el desarrollo del producto para aprovechar el potencial básico de una larga vida útil de un tipo de láser en particular.