Introducción
El Centro de Asistencia a la Investigación (CAI) de Láseres Ultrarrápidos, creado por aprobación del Consejo Social de la Universidad Complutense de Madrid de 26 de septiembre de 2013, forma parte de los centros de apoyo a la investigación existentes en la Universidad Complutense de Madrid (UCM). Este CAI comenzó su andadura a principios de los años 1990 como Servicio de Espectroscopia Multifotónica dentro del CAI de Espectroscopia, con el fin de ofrecer a la comunidad universitaria y científica, en general, un conjunto de técnicas basadas en el empleo de láseres pulsados de alta potencia en combinación con la espectroscopia de ionización láser multifotónica y la espectrometría de masas por tiempo de vuelo. Actualmente, como se detallará más adelante, las técnicas e instrumentación disponibles permiten llevar a cabo ensayos y experimentos con resolución temporal en las escalas de nanosegundos (10-9 segundos) y femtosegundos (10-15 segundos), en muy diversos tipos de muestras y sistemas materiales en los tres estados fundamentales de la materia (gases, líquidos y sólidos), por medio de técnicas láser de bombeo y sonda y de espectroscopia láser (fotoionización, fotoelectrónica, fluorescencia), así como de manipulación de materiales (microfabricación láser, modificación de materiales por láser, ablación láser) y síntesis de nuevos materiales por láser (deposición de materiales nanoestructurados por láser pulsado).
La Ionización Láser Multifotónica permite la ionización eficiente de átomos y moléculas empleando radiación láser de alta potencia en el rango del visible (VIS) o ultravioleta (UV) cercano. La ionización de átomos o molé:culas por absorción de radiación electromagnética requiere radiación lo suficientemente energética como para que se alcance el límite de ionización por absorción de un fotón, lo que generalmente ocurre en la zona del ultravioleta de vacío (VUV). Sin embargo, si la densidad de flujo de radiación (irradiancia) es suficientemente alta, puede ocurrir la absorción simultánea de varios fotones (absorción multifotónica) que da lugar a la ionización y/o fragmentación molecular empleando radiación en el VIS o UV. Si se dispone además de radiación láser de alta potencia sintonizable en longitud de onda, es posible llevar a cabo la ionización por absorción de varios fotones a través de estados electrónicos excitados intermedios, lo que da lugar a la Ionización Láser Multifotónica Aumentada por Resonancia, REMPI (del inglés Resonance Enhanced MultiPhoton Ionization). Para distinguir los iones de diferentes masas producidos en la interacción entre las moléculas y los pulsos láser se emplea la técnica de Espectrometría de Masas por Tiempo de Vuelo (TOFMS, Time-Of-Flight Mass Spectrometry). En esta espectrometría la separación en masa de los iones formados se lleva a cabo discriminando temporalmente los tiempos de llegada de los mismos al detector, puesto que los iones de mayor masa tardan más tiempo en llegar al detector que los de menor masa.
La técnicas REMPI y TOFMS permiten la caracterización estructural de sustancias orgánicas, inorgánicas y organometálicas, así como la identificación y detección de trazas. La combinación de esta técnica con la Cromatografía de Gases (CG) y la Ablación y Desorción Láser permite la determinación cualitativa y cuantitativa de sustancias volátiles y no volátiles en muestras sólidas, líquidas y gaseosas. Además, al tratarse esencialmente de una espectroscopia láser, permite la determinación de espectros electrónicos en el UV y VUV de alta resolución para una masa dada, junto con los patrones de fragmentación en función de la longitud de onda. Sus principales ventajas frente a otras técnicas analíticas son: alta especificidad, puesto que para cada muestra es posible encontrar una determinada longitud de onda a la que sólo absorba y se ionice un determinado compuesto de la misma; alta sensibilidad, gracias a la alta eficiencia de ionización obtenida utilizando la técnica REMPI, más eficiente que la que se obtiene por la ionización electrónica convencional. La determinación de espectros y patrones de fragmentación a distintas longitudes de onda y/o potencias del láser permite obtener información cualitativa y cuantitativa de la(s) molécula(s) de interés en la muestra, así como información estructural y determinación de potenciales de ionización.
Las técnicas REMPI y TOFMS se emplean también en conjunción con técnicas de imágenes de iones: cartografía de velocidades (velocity map imaging) y tomografía de velocidades (slice imaging), para el estudio experimental de la dinámica molecular de procesos químicos, como fotodisociaciones o reacciones químicas fotoiniciadas.
Desde sus orígenes el CAI cuenta con un sistema láser de nanosegundos constituido por dos láseres de Nd:YAG y dos láseres de colorantes con generadores de segundo armónico. Con este sistema láser, renovado en 2009, se dispone de radiación láser pulsada de alta potencia sintonizable desde unos 199 nm en el UV hasta el IR cercano. Al disponer de dos haces láser pulsados con sintonía independiente, es posible llevar a cabo experimentos de bombeo y sonda y de espectroscopia de doble resonancia, entre otros, en combinación con la técnica TOFMS.
En 2004 se incorporó al CAI un sistema láser de femtosegundos, pasándose a denominar Servicio de Espectroscopia Multifotónica y de Femtosegundo dentro del CAI de Espectroscopia. El láser de femtosegundos producía un tren de pulsos láser a la frecuencia de repetición de 1 kHz con 80 fs (1 fs=10-15 s) de anchura temporal centrados a 800 nm y una energía por pulso de 1 mJ. El sistema disponía de un sistema de diagnóstico de pulsos de femtosegundos (autocorrelador de disparo único), generadores de segundo, tercer y cuarto armónico (400 nm, 266 nm y 200 nm) y dos amplificadores óptico paramétricos (OPA) que permiten generar radiación sintonizable desde 235 nm en el UV hasta 3 μm en el IR. El sistema láser de femtosegundos fue renovado en noviembre de 2009 y, en la actualidad, produce pulsos láser con <35 fs (1 fs=10-15 s) de anchura temporal y una energía por pulso de hasta 3,5 mJ. El pulso láser está optimizado por medio de un modulador acusto-óptico dazzler y se dispone además de sistemas de diagnóstico de los pulsos de femtosegundos por medio de las técnicas FROG y Dazcope. Así mismo, se dispone de un modulador espacial de luz (SLM) para el moldeado de pulsos láser de femtosegundos empleados en control cuántico de procesos químicos y físicos.
En 2013 se incorporó un segundo sistema láser de femtosegundos, que genera pulsos láser de 80 fs y 1 mJ/pulso, en combinación con un equipo de fluorescencia resuelta en tiempo. Con esta instrumentación es posible llevar a cabo medidas de fluorescencia resuelta en tiempo en la escala de los femtosegundos en muestras líquidas y sólidas por medio de la técnica de suma de frecuencia (Fluorescence Up-Conversion).
La disponibilidad de un sistema láser de femtosegundos en el laboratorio ha supuesto un cambio radical en el tipo de experiencias y ensayos que pueden abordarse, lo que ha llevado a la creación del Centro de Láseres Ultrarrápidos (CLUR). Con estas tecnologías láser es posible realizar servicios de asistencia a la investigación de vanguardia en Química, Física, Biología y Materiales dentro de los campos de investigación científica que emplean pulsos láser ultracortos para investigar los fenómenos en la escala temporal en la que éstos ocurren (Femtoquímica, Femtofísica y Femtobiología). Unicamente con una resolución temporal tan grande es posible entender cómo ocurren los procesos moleculares que tienen lugar en la escala temporal de los femtosegundos, tales como la ruptura y formación de enlaces químicos, los movimientos moleculares (rotación y vibración) o los procesos de transferencia de energía, transferencia de protón intra- e intermolecular y transferencia electrónica, de interés en Química y Biología. Al disponer de pulsos láser ultraintensos, es posible además estudiar la materia expuesta a campos electromagnéticos ultraintensos, donde los procesos de interés a nivel molecular son la ionización disociativa, la explosión Coulombiana y la generación de armónicos elevados. Así mismo, el empleo de radiación láser pulsada ultrarrápida permite disponer de una herramienta fotónica de increíbles prestaciones para la microfabricación, modificación y síntesis de materiales nanoestructurados de muy diversa índole. La posibilidad de moldear a medida los pulsos láser ultracortos permite llevar a cabo trabajos de investigación en el área del control cuántico de los procesos físicos y químicos moleculares y en ciencia de materiales.
El CLUR ofrece la posibilidad de realizar ensayos y experimentos a medida, dadas las características y la flexibilidad de la instrumentación disponible. Las diferentes fuentes láser de nanosegundos y femtosegundos, así como las instrumentación asociada (máquinas de haces moleculares con espectrometría de masas por tiempo de vuelo, equipo de fluorescencia resuelta en tiempos, óptica y optomecánica) y la disponibilidad de un técnico de grado superior dedicado, permiten realizar montajes experimentales con propósitos y objetivos concretos en base a las necesidades de los usuarios. En este sentido, el CLUR es un CAI singular que ofrece acceso a investigadores en muy diversas áreas de investigación en proyectos de investigación que requieren de desarrollos instrumentales y no meramente la realización de ensayos en un instrumento comercial.
Más detalles sobre el tipo de experimentos y ensayos que pueden abordarse en el CLUR se encuentran en el siguiente enlace: Red.escubre.
Actualmente, el CLUR y la Infraestructura Científico-Técnica Singular (ICTS) Centro de Láseres Pulsados Ultracortos Ultraintensos (CLPU) de Salamanca tienen vigente un convenio marco de colaboración. Este convenio es de gran importancia puesto que el CLUR abre su oferta de servicios láser a una amplio número de usuarios del CLPU, a nivel nacional e internacional, en técnicas láser que sean complementarias entre ambos centros.
La Ionización Láser Multifotónica permite la ionización eficiente de átomos y moléculas empleando radiación láser de alta potencia en el rango del visible (VIS) o ultravioleta (UV) cercano. La ionización de átomos o molé:culas por absorción de radiación electromagnética requiere radiación lo suficientemente energética como para que se alcance el límite de ionización por absorción de un fotón, lo que generalmente ocurre en la zona del ultravioleta de vacío (VUV). Sin embargo, si la densidad de flujo de radiación (irradiancia) es suficientemente alta, puede ocurrir la absorción simultánea de varios fotones (absorción multifotónica) que da lugar a la ionización y/o fragmentación molecular empleando radiación en el VIS o UV. Si se dispone además de radiación láser de alta potencia sintonizable en longitud de onda, es posible llevar a cabo la ionización por absorción de varios fotones a través de estados electrónicos excitados intermedios, lo que da lugar a la Ionización Láser Multifotónica Aumentada por Resonancia, REMPI (del inglés Resonance Enhanced MultiPhoton Ionization). Para distinguir los iones de diferentes masas producidos en la interacción entre las moléculas y los pulsos láser se emplea la técnica de Espectrometría de Masas por Tiempo de Vuelo (TOFMS, Time-Of-Flight Mass Spectrometry). En esta espectrometría la separación en masa de los iones formados se lleva a cabo discriminando temporalmente los tiempos de llegada de los mismos al detector, puesto que los iones de mayor masa tardan más tiempo en llegar al detector que los de menor masa.
La técnicas REMPI y TOFMS permiten la caracterización estructural de sustancias orgánicas, inorgánicas y organometálicas, así como la identificación y detección de trazas. La combinación de esta técnica con la Cromatografía de Gases (CG) y la Ablación y Desorción Láser permite la determinación cualitativa y cuantitativa de sustancias volátiles y no volátiles en muestras sólidas, líquidas y gaseosas. Además, al tratarse esencialmente de una espectroscopia láser, permite la determinación de espectros electrónicos en el UV y VUV de alta resolución para una masa dada, junto con los patrones de fragmentación en función de la longitud de onda. Sus principales ventajas frente a otras técnicas analíticas son: alta especificidad, puesto que para cada muestra es posible encontrar una determinada longitud de onda a la que sólo absorba y se ionice un determinado compuesto de la misma; alta sensibilidad, gracias a la alta eficiencia de ionización obtenida utilizando la técnica REMPI, más eficiente que la que se obtiene por la ionización electrónica convencional. La determinación de espectros y patrones de fragmentación a distintas longitudes de onda y/o potencias del láser permite obtener información cualitativa y cuantitativa de la(s) molécula(s) de interés en la muestra, así como información estructural y determinación de potenciales de ionización.
Las técnicas REMPI y TOFMS se emplean también en conjunción con técnicas de imágenes de iones: cartografía de velocidades (velocity map imaging) y tomografía de velocidades (slice imaging), para el estudio experimental de la dinámica molecular de procesos químicos, como fotodisociaciones o reacciones químicas fotoiniciadas.
Desde sus orígenes el CAI cuenta con un sistema láser de nanosegundos constituido por dos láseres de Nd:YAG y dos láseres de colorantes con generadores de segundo armónico. Con este sistema láser, renovado en 2009, se dispone de radiación láser pulsada de alta potencia sintonizable desde unos 199 nm en el UV hasta el IR cercano. Al disponer de dos haces láser pulsados con sintonía independiente, es posible llevar a cabo experimentos de bombeo y sonda y de espectroscopia de doble resonancia, entre otros, en combinación con la técnica TOFMS.
En 2004 se incorporó al CAI un sistema láser de femtosegundos, pasándose a denominar Servicio de Espectroscopia Multifotónica y de Femtosegundo dentro del CAI de Espectroscopia. El láser de femtosegundos producía un tren de pulsos láser a la frecuencia de repetición de 1 kHz con 80 fs (1 fs=10-15 s) de anchura temporal centrados a 800 nm y una energía por pulso de 1 mJ. El sistema disponía de un sistema de diagnóstico de pulsos de femtosegundos (autocorrelador de disparo único), generadores de segundo, tercer y cuarto armónico (400 nm, 266 nm y 200 nm) y dos amplificadores óptico paramétricos (OPA) que permiten generar radiación sintonizable desde 235 nm en el UV hasta 3 μm en el IR. El sistema láser de femtosegundos fue renovado en noviembre de 2009 y, en la actualidad, produce pulsos láser con <35 fs (1 fs=10-15 s) de anchura temporal y una energía por pulso de hasta 3,5 mJ. El pulso láser está optimizado por medio de un modulador acusto-óptico dazzler y se dispone además de sistemas de diagnóstico de los pulsos de femtosegundos por medio de las técnicas FROG y Dazcope. Así mismo, se dispone de un modulador espacial de luz (SLM) para el moldeado de pulsos láser de femtosegundos empleados en control cuántico de procesos químicos y físicos.
En 2013 se incorporó un segundo sistema láser de femtosegundos, que genera pulsos láser de 80 fs y 1 mJ/pulso, en combinación con un equipo de fluorescencia resuelta en tiempo. Con esta instrumentación es posible llevar a cabo medidas de fluorescencia resuelta en tiempo en la escala de los femtosegundos en muestras líquidas y sólidas por medio de la técnica de suma de frecuencia (Fluorescence Up-Conversion).
La disponibilidad de un sistema láser de femtosegundos en el laboratorio ha supuesto un cambio radical en el tipo de experiencias y ensayos que pueden abordarse, lo que ha llevado a la creación del Centro de Láseres Ultrarrápidos (CLUR). Con estas tecnologías láser es posible realizar servicios de asistencia a la investigación de vanguardia en Química, Física, Biología y Materiales dentro de los campos de investigación científica que emplean pulsos láser ultracortos para investigar los fenómenos en la escala temporal en la que éstos ocurren (Femtoquímica, Femtofísica y Femtobiología). Unicamente con una resolución temporal tan grande es posible entender cómo ocurren los procesos moleculares que tienen lugar en la escala temporal de los femtosegundos, tales como la ruptura y formación de enlaces químicos, los movimientos moleculares (rotación y vibración) o los procesos de transferencia de energía, transferencia de protón intra- e intermolecular y transferencia electrónica, de interés en Química y Biología. Al disponer de pulsos láser ultraintensos, es posible además estudiar la materia expuesta a campos electromagnéticos ultraintensos, donde los procesos de interés a nivel molecular son la ionización disociativa, la explosión Coulombiana y la generación de armónicos elevados. Así mismo, el empleo de radiación láser pulsada ultrarrápida permite disponer de una herramienta fotónica de increíbles prestaciones para la microfabricación, modificación y síntesis de materiales nanoestructurados de muy diversa índole. La posibilidad de moldear a medida los pulsos láser ultracortos permite llevar a cabo trabajos de investigación en el área del control cuántico de los procesos físicos y químicos moleculares y en ciencia de materiales.
El CLUR ofrece la posibilidad de realizar ensayos y experimentos a medida, dadas las características y la flexibilidad de la instrumentación disponible. Las diferentes fuentes láser de nanosegundos y femtosegundos, así como las instrumentación asociada (máquinas de haces moleculares con espectrometría de masas por tiempo de vuelo, equipo de fluorescencia resuelta en tiempos, óptica y optomecánica) y la disponibilidad de un técnico de grado superior dedicado, permiten realizar montajes experimentales con propósitos y objetivos concretos en base a las necesidades de los usuarios. En este sentido, el CLUR es un CAI singular que ofrece acceso a investigadores en muy diversas áreas de investigación en proyectos de investigación que requieren de desarrollos instrumentales y no meramente la realización de ensayos en un instrumento comercial.
Más detalles sobre el tipo de experimentos y ensayos que pueden abordarse en el CLUR se encuentran en el siguiente enlace: Red.escubre.
Actualmente, el CLUR y la Infraestructura Científico-Técnica Singular (ICTS) Centro de Láseres Pulsados Ultracortos Ultraintensos (CLPU) de Salamanca tienen vigente un convenio marco de colaboración. Este convenio es de gran importancia puesto que el CLUR abre su oferta de servicios láser a una amplio número de usuarios del CLPU, a nivel nacional e internacional, en técnicas láser que sean complementarias entre ambos centros.