LÁSER DE COLORANTE EN ESTADO SÓLIDO.
Laser de colorante en estado sólido.
La presente patente de invención describe un sistema basado en colorantes orgánicos incorporados en matriz sólida capaz de emitir radiación láser sintonizable de pequeña anchura de línea en la región verde-roja del espectro electromagnético,
para aplicaciones optoelectrónicas y biofotónicas. El sistema comprende la cavidad láser, dispersiva o no dispersiva, y el medio activo utilizado para la generación y emisión de luz láser. El medio activo comprende al menos un colorante incluido en una matriz sólida de al menos un polímero. En cavidad no dispersiva cada colorante-matriz emite radiación de banda ancha a una longitud de onda central concreta. En cavidad dispersiva cada combinación colorante-matriz emite radiación de banda estrecha que se puede sintonizar sobre un intervalo de, al menos, 40 nm.
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200931179.
Solicitante: CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTIFICAS (CSIC).
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: COSTELA GONZALEZ,ANGEL, SASTRE MUÑOZ,ROBERTO, GARCIA-MORENO GONZALO,INMACULADA, GOMEZ HERNANDEZ,CLARA, MARTIN TORRES,VIRGINIA.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- C09B69/10 QUIMICA; METALURGIA. › C09 COLORANTES; PINTURAS; PULIMENTOS; RESINAS NATURALES; ADHESIVOS; COMPOSICIONES NO PREVISTAS EN OTRO LUGAR; APLICACIONES DE LOS MATERIALES NO PREVISTAS EN OTRO LUGAR. › C09B COLORANTES ORGANICOS O COMPUESTOS ESTRECHAMENTE RELACIONADOS PARA PRODUCIR COLORANTES; MORDIENTES; LACAS (procesos de fermentación o procesos que utilizan enzimas para la síntesis de un compuesto dado C12P). › C09B 69/00 Colorantes no previstos en un solo grupo de la presente subclase. › Colorantes poliméricos; Productos de reacciones de colorantes con monómeros o con compuestos macromoleculares.
- H01S3/16 ELECTRICIDAD. › H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS. › H01S DISPOSITIVOS QUE UTILIZAN EL PROCESO DE AMPLIFICACION DE LUZ MEDIANTE EMISION ESTIMULADA DE RADIACIÓN [LASER] PARA AMPLIFICAR O GENERAR LUZ; DISPOSITIVOS QUE UTILIZAN EMISION ESTIMULADA DE RADIACION ELECTROMAGNETICA EN RANGOS DE ONDA DISTINTOS DEL ÓPTICO. › H01S 3/00 Láseres, es decir, dispositivos que utilizan la emisión estimulada de la radiación electromagnética en el rango de infrarrojos, visible o ultravioleta (láseres de semiconductores H01S 5/00). › Materiales sólidos.
PDF original: ES-2388801_A1.pdf
Fragmento de la descripción:
LASER DE COLORANTE EN ESTADO SÓLIDO
OBJETO DE LA INVENCiÓN
La presente solicitud es constituye un certificado de adición de la solicitud P200802558, presentada el 5 de septiembre del año 2008. La solicitud principal describe un procedimiento para eliminar manchas pigmentarias y tatuajes en la piel mediante un sistema láser de colorante en estado sólido, así como el láser y el medio activo empleados para llevar a cabo dicho procedimiento. La presente solicitud está dirigida, de manera general, a un sistema láser de colorante en estado sólido, asi como a un medio activo formado por polímeros sintéticos adecuados para la generación láser en la región verde-roja del espectro.
TÉCNICA ANTERIOR
Actualmente, se emplean polímeros sintéticos en multitud de aplicaciones de diversos campos, entre ellos en el campo de la Óptica. Una caracteristica de los poli meros sintéticos es su comportamiento como aislante, tanto térmico, como eléctrico y acústico, características que a su vez son fundamentales en toda una serie de aplicaciones de estos materiales. Es precisamente este carácter aislante el que determina los márgenes de utilización de los polimeros sintéticos en aquellas aplicaciones ópticas en las que la luz incidente sobre los mismos es parcialmente absorbida, bien de forma directa, por algún cromóforo presente en la estructura del polímero, o bien indirectamente, a través de algún aditivo incorporado al mismo. En ambos casos, la parte de la energía absorbida que se libera al medio en forma de calor presenta el inconveniente de su pobre disipación, como consecuencia del carácter aislante de estos materiales, lo cual puede llegar a provocar su degradación térmica, y/o la de los aditivos incorporados a los mismos, como consecuencia de las altas temperaturas alcanzadas localmente en las zonas donde incide la luz. Este inconveniente resulta pues ser un factor limitante a la hora de utilizar los polímeros sintéticos como matrices sólidas en determinados componentes ópticos, como son los filtros ópticos, guías de onda y los láseres de colorante en estado sólido, entre otros, siendo la estabilidad térmica un factor determinante de la posible utilización de estos materiales a escala industrial y comercial.
Los láseres de colorante se utilizan hoy en día en campos muy diversos, tanto en la industria como en la Medicina. Sin embargo, la utilización de estos láseres de colorante implica el empleo de un colorante en disolución liquida, lo cual conlleva una serie de inconvenientes y limitaciones:
necesidad de tener que emplear grandes volúmenes de disolventes orgánicos, algunos de los cuales son tóxicos, volátiles e inflamables; tener que mantener un flujo constante y uniforme de estas disoluciones dentro de cavidad láser; tener que renovar periódicamente la disolución del colorante, al degradarse éste durante su uso continuado, o bien sustituirla cuando se necesita cambiar la longitud de onda de emisión; operaciones tediosas que se presentan a la hora de limpiar la cavidad y eliminar dichas disoluciones, Sin olvidar la complejidad del diseño y de la instrumentación auxiliar a que obliga el bombeo de dichas disoluciones a la cavidad láser.
Con el objeto de superar estos inconvenientes, se ha venido
realizando un considerable esfuerzo investigador, a nivel internacional, dirigido tanto al estudio de los procesos fotofísicos y fotoquímicos puestos en juego cuando los colorantes láser se encuentran en un medio sólido, como a la síntesis de nuevos colorantes y materiales láser mas eficientes 5 y, térmica y fotoquímicamente, mas estables. Aunque se han estudiado una gran variedad de materiales como matrices de colorantes láser, tales como disolventes solidificados a baja temperatura, gelatinas, cristales orgánicos moleculares, vidrios inorgánicos ... , han sido los polímeros (orgánicos e híbridos orgánico-inorgánicos) los que presentan mejores 10 posibilidades potenciales de ser operativos a nivel industrial y comercial, según han demostrado los trabajos y resultados alcanzados durante la última década (A.Costela, 1. García-Moreno, R.Sastre, Materia/s tor solid state dye lasers, en Handbook of Advanced Electronic and Photonic Materials and Devices, Ed. H. Nalwa, Academic Press, San Diego, CA, 15 USA, 2001; A.Costela, 1. García-Moreno, R.Sastre, Solid-state dye lasers, en Tunable Laser Applications, Second Edition, Ed. F.J. Duarte, CRC Press, Boca Ratón, Florida, USA, 2009) . Una de la direcciones de trabajo seguidas para mejorar la 2 O fotoestabilidad de estos materiales ha consistido en el desarrollo de toda una serie de nuevas matrices poliméricas, lineales y entrecruzadas, en las que por copolimerización introducíamos covalentemente las moléculas de colorante, consiguiendo de esta forma mejorar la vida útil de estos nuevos láseres, así como todas las ventajas señaladas anteriormente para los 25 láseres de colorante en estado sólido (ES 9501419, 1995 Y USA 6, 281, 315 2001) . Asimismo, se ha llevado a cabo un estudio sistemático sobre la modificación estructural de los sustituyentes de colorantes 30 dipirrometénicos, con el objetivo de mejorar sus propiedades y su fotoestabilidad. Con este fin, centramos nuestros esfuerzos en establecer el efecto de la sustitución en la posición 8 del anillo pirrometénico, introduciendo, inicialmente, tanto grupos acetoxipolimetilénicos cemo grupos metacriloxipolimetilénicos, que fueron utilizados cemo colorantes láser modelos y colorantes láser monómeros. Estos nuevos colorantes 5 presentaron, tanto en disolución líquida cemo en matrices sólidas, una mejor eficiencia láser y una destacable mayor fotoestabilidad, que los correspondientes colorantes láser comerciales cuando eran unidos covalentemente a un polímero (ES 009901540; A. Costela., 1. García- Moreno, C. Gómez, F. Amat-Guerri, M. Liras, R. Sastre, Efficient and 10 highly photostable solid-state dye lasers based on modified dipyrromethene. BF2 complexes incorporated into solid matrices of poly (methyl methacr y late) , Appl. Phys. B, 76, 365, 2003, Y M. Álvarez, F. Amat-Guerri, A. Costela, 1. García-Moreno, C. Gómez, M. Liras, R. Sastre, Linear and crosslinked polymeric solid-state dye lasers based on 8 15 substituted alkyl analogs of Pyrromethene 567, Appl. Phys. B, 80, 993, 2005) . A continuación, incorporamos también en dicha posición 8 del anillo indacénico, solo un grupo p-fenilen-acetoxipolimetileno y un grupo p-fenilen-metacriloxipolimetileno, cuyas propiedades fotofisicas y su evaluación como láser demostraron que, tanto en disolución líquida 2O saturada al aire, como en sus copolímeros sólidos con metacrilato de metilo, sus eficiencias en emisión láser y su fotoestabilidad eran mejoradas notablemente ( 1. García-Moreno, A. Costela, L. Campo, R. Sastre, F. Amat-Guerri, M. Liras, F. López-Arbeloa, J. Bañuelos, 1. López Arbeloa, 8-Phenyl-Substituted Oipyrromethene.BF2 Complexes as Highly 25 Efficient and Photostable Laser Oyes, J. Phys. Chem. A, 108, 3315, 2004) . Estas propiedades fueron nuevamente mejoradas incorporando en la posición 8 del anillo indacénico sustituyentes incorporando grupos di fenileno y p-trifenileno (ES 200701763; M. Álvarez, A. Costela, 1. Garcia- Moreno, F. Amat-Guerri, M. Liras, R. Sastre, F. López Arbeloa, J. 30 Buñuelos Prieto, 1. López Arbeloa, Photophysical and Laser Emission Studies of 8-Polyphenylene-Substituted BOOIPY Oyes in Liquid Solution and in Solid Polymeric Matrices Photochem. Photobiol. Sci., 7, 802, 2008) así como por el doble anclaje covalente del colorante a la matriz, al reducir significativamente sus procesos de emisión no radiativos (1. García-Moreno, F. Amat-Guerri, M. Liras, A. Costela, L. Infantes, R. 5 Sastre, F. López Arbeloa, J. Bañuelos Prieto, 1. López Arbeloa, Structural Changes in the BOOIPY Oye PM567 Enhancing the Laser Action in Liquid and Solid Media, Adv. Funct. Mater. 17, 3088, 2007) . Tratando de mejorar las propiedades térmicas de estas matrices 10 poliméricas, se desarrollaron también nuevos polimeros hibridos orgánico inorgánicos, obtenidos por procedimientos de sintesis simultanea de polimerización-policondensación, que han permitido alcanzar aún mayores fotoestabilidades (A. Costela, 1.... [Seguir leyendo]
Reivindicaciones:
1_ Sistema de radiación láser de colorante en estado sólido, caracterizado porque emite radiación láser sintonizable, discreta o continuamente, en la región verde-roja del espectro electromagnético, y que comprende al menos los siguientes elementos:
una cavidad en la que se ubica un medio activo que comprende al menos un colorante incluido en una matriz sólida de al menos un polímero. una fuente de excitación-bombeo del medio activo, y un mecanismo sintonizador de longitud de onda.
2. Sistema de radiación láser según la reivindicación 1, donde la fuente de excitación-bombeo comprende al menos un emisor de luz que posee las características a) , b) , c) y d) , siendo cada una de ellas seleccionadas entre las dos opciones dadas:
a) ultravioleta y visible; b) monocromática y policromática; c) coherente y no-coherente; y d) continua y pulsada.
3. Sistema de radiación láser según la reivindicación 2, donde la fuente de excitación-bombeo comprende al menos un emisor de luz visible, monocromática, coherente y pulsada.
4. Sistema de radiación láser según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde la fuente de excitación-bombeo se desplaza durante la etapa de excitación, manteniendo fijo el medio activo.
5. Sistema de radiación láser según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde el medio activo se desplaza vertical u
horizontalmente o rota durante la etapa de excitación bombeo, manteniendo fija la fuente de excitación.
6. Sistema de radiación láser según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que comprende una cavidad no dispersiva que a su vez comprende:
un par de lentes cilíndricas para focal izar el haz de excitaciónbombeo selectivamente sobre una de las combinaciones de colorante y matriz sólida; un espejo de aluminio; y una ventana de vidrio que cierra la cavidad, dispuesta paralelamente al espejo,
cuando el bombeo sobre las combinaciones de colorante-matriz sólida es transversal.
7. Sistema de radiación láser según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que comprende una cavidad dispersiva que a su vez comprende:
un par de lentes cilindricas para focal izar el haz de excitaciónbombeo selectivamente sobre una de las combinaciones de colorante y matriz sólida; un espejo de aluminio, dispuesto paralelamente a las caras de la muestra, y perpendicular al eje de la cavidad definido por la perpendicular a las caras planas de la muestra; una red de difracción, preferentemente holográfica, dispuesta de modo que la muestra con el colorante queda situada entre el espejo trasero y la red de difracción, que forma un ángulo de entre 87° y 89° con el eje de la cavidad; y un espejo de aluminio, llamado espejo sintonizador, que se dispone perpendicularmente a la dirección definida por el orden 1 de la red de difracción,
cuando el bombeo sobre las combinaciones de colorante-matriz sólida es transversal.
8_ Sistema de radiación láser según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que comprende una cavidad dispersiva que a su vez comprende:
un par de lentes cilíndricas para focal izar el haz de excitaciónbombeo selectivamente sobre una de las combinaciones de colorante y matriz sólida; un espejo dicroico, parcialmente transparente a la radiación emitida por el colorante en matriz sólida, dispuesto paralelamente a las caras de la muestra, y perpendicular al eje de la cavidad definido por la perpendicular a las caras planas de la muestra; una red de difracción, preferentemente holográfica, situada de modo que la muestra con el colorante queda situada entre el espejo dicroico y la red de difracción, que forma un ángulo de entre 87° y 89° con el eje de la cavidad; y un espejo de aluminio, llamado espejo sintonizador, que se dispone perpendicularmente a la dirección definida por el orden 1 de la red de difracción,
cuando el bombeo sobre las combinaciones de colorante-matriz sólida es transversal.
9. Sistema de radiación láser según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que comprende una cavidad dispersiva que a su vez comprende:
un par de lentes cilíndricas para focal izar el haz de excitaciónbombeo selectivamente sobre una de las combinaciones de colorante y matriz sólida; un espejo dicroico, parcialmente transparente a la radiación emitida por el colorante en matriz sólida, dispuesto paralelamente a las
5 10 caras de la muestra, y perpendicular al eje de la cavidad definido por la perpendicular a las caras planas de la muestra; uno o dos prismas situados de modo que la muestra con el colorante queda situada entre el espejo dicroico y los prismas, que se disponen de modo que actúan como expansores del haz láser; y una red de difracción, preferentemente holográfica, colocada a continuación de los prismas en montaje de Littrow, esto es, colocada de modo que, en primer orden, retro-refleja la radiación incidente en la misma, cuando el bombeo sobre las combinaciones de colorante-matriz sólida es transversal. 15 2 O 10. Sistema de radiación láser según la reivindicación 1, donde la cavidad comprende además: una lente esférica para focal izar el haz de excitación-bombeo selectivamente sobre una de las combinaciones de colorante y matriz sólida; y dos espejos dicroicos, cuando el bombeo sobre las combinaciones de colorante-matriz sólida es longitudinal. 25 11. Sistema de radiación láser según la reivindicación 1 , donde el mecanismo sintonizador de longitud de onda es un intercambiador de las muestras matriz sólida-colorante que comprende un soporte ubicado dentro de la cavidad, con forma de disco o cilindro giratorio, que está atravesado por una varilla en su centro geométrico, y aloja alrededor de dicho eje central del disco o cilindro las combinaciones colorante-matriz sólida, a modo de dispositivo tipo revolver o noria. 30 36 12. Medio activo para la generación y emisión de luz láser en un sistema de radiación láser descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, donde dicho medio comprende al menos un 5 colorante incluido en una matriz sólida de al menos un polímero. 13. Medio activo según la reivindicación 12, donde los polímeros que componen la matriz sólida se seleccionan entre polimeros sintéticos lineales y entrecruzados. 10 14. Medio activo según una cualquiera de las reivindicaciones 12 ó 13, donde los polimeros se seleccionan de entre los obtenidos a partir de los monómeros del grupo comprendido por: metacrilato de metilo, metacrilato de 2-hidroxietilo, tetracrilato de pentaeritritol, metacrilato de 15 trifluorometilo, pentaeritritol triacrilato, acrilato de 2-hidroxietilo, metacrilato de trietoximetil-silil-propilo, monómeros sililados con grupos silsesquioxano y combinaciones de ellos. 15. Medio activo según la reivindicación 12, donde la matriz sólida 2 O tiene una composición seleccionada entre polimetacrilato de metilo; copolimero de metacrilato de hidroxietilo con metacrilato de metilo, entrecruzado con tetracrilato de pentaeritritol; copolimero de metacrilato de metilo con metacrilato de trifluorometilo; copolimero de metacrilato de metilo con pentaeritritol triacrilato; polimetacrilato de 2-hidroxietilo; 25 copolimero de metacrilato de hidroxietilo con metacrilato de trietoximetil silil-propilo; copolimeros de monómeros del grupo seleccionado según la reivindicación 10 con octa (metacrilato de metilo) -silsesquioxano, y copolimeros de monómeros del grupo seleccionado según la reivindicación 10 con otros monómeros silsesquioxano. 30 3716. Medio activo según una cualquiera de las reivindicaciones 12 a
15. donde el colorante pertenece a la familia de los pirrometenos, rodaminas, perilenos, LOS, o cualquier otro colorante con emisión en la región verde-roja del espectro, o una combinación de ellos.
17. Medio activo según una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 16 donde, para bombeo transversal, la matriz sólida es un cilindro de 1 cm. de altura y un diámetro de entre 4 y 10 mm., con una cara lateral plana, paralela a su eje, de entre 1 a 6 mm. y pulida hasta obtener calidad óptica.
18. Medio activo según una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 16 donde, para bombeo longitudinal, cada una de las combinaciones seleccionadas tiene la configuración de un disco de espesor superior a 1 mm. y de diámetro variable.
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