Modelo de bloqueo de lente Kerr

El bloqueo de modos por lente Kerr ( KLM ) es un método para bloquear los modos de los láseres mediante el efecto óptico no lineal de Kerr . Este método permite generar pulsos de luz con una duración de tan solo unos pocos femtosegundos .

El efecto Kerr óptico es un proceso que resulta de la respuesta no lineal de un medio óptico al campo eléctrico de una onda electromagnética . El índice de refracción del medio depende de la intensidad del campo. ^{[ 1 ]}

Debido a la distribución no uniforme de la densidad de potencia en un haz gaussiano (como el que se encuentra en los resonadores láser), el índice de refracción varía a lo largo del perfil del haz; el índice de refracción que experimenta el haz es mayor en el centro que en los bordes. Por lo tanto, una varilla de un medio Kerr activo funciona como una lente para luz de alta intensidad. Este fenómeno se denomina autoenfoque y, en casos extremos, puede provocar la destrucción del material. En la cavidad láser, los pulsos cortos de luz se enfocarán de forma diferente a las ondas continuas.

Para favorecer el modo pulsado sobre el de onda continua, la cavidad podría hacerse inestable para el funcionamiento en onda continua , pero con mayor frecuencia una baja estabilidad es un subproducto de un diseño de cavidad que enfatiza los efectos de apertura. Los diseños antiguos usaban una apertura dura, que simplemente corta, mientras que los diseños modernos usan una apertura suave, lo que significa la superposición entre la región bombeada del medio de ganancia y el pulso. Si bien el efecto de una lente en un haz láser libre es bastante obvio, dentro de una cavidad todo el haz intenta adaptarse a este cambio. La cavidad estándar con espejos planos y una lente térmica en el cristal láser tiene el ancho de haz más pequeño en los espejos extremos. Con la lente Kerr adicional, el ancho en el espejo extremo se vuelve aún más pequeño. Por lo tanto, los espejos extremos pequeños (apertura dura) favorecen los pulsos. En los osciladores de Ti:Zafiro se insertan telescopios alrededor del cristal para aumentar la intensidad.

Para una apertura suave, consideremos un cristal láser infinito con una lente térmica. Un haz láser se guía como en una fibra de vidrio. Con una lente Kerr adicional, el ancho del haz se reduce. En un láser real, el cristal es finito. La cavidad en ambos lados presenta un espejo cóncavo y luego un recorrido relativamente largo hasta un espejo plano. La luz de onda continua sale de la cara frontal del cristal con un ancho de haz mayor y una ligera divergencia. Ilumina un área menor en el espejo cóncavo, lo que resulta en un ancho de haz pequeño en el camino hacia el espejo plano. Por lo tanto, la difracción es más fuerte. Debido a la divergencia, la luz proviene efectivamente de un punto más alejado, lo que produce una mayor convergencia después del espejo cóncavo. Esta convergencia se equilibra con la difracción. La luz pulsada sale de la cara frontal con un ancho de haz menor y sin divergencia. Por lo tanto, ilumina un área mayor en el espejo cóncavo y es menos convergente posteriormente. Así, tanto los frentes de luz de onda continua como los de luz pulsada se reflejan sobre sí mismos. Una cavidad cercana a una confocal implica una proximidad a la inestabilidad, lo que significa que el diámetro del haz es sensible a los cambios en la cavidad. Esto acentúa la modulación. Con una cavidad ligeramente asimétrica, prolongarla intensifica la difracción e incluso la vuelve inestable para el funcionamiento en onda continua , aunque se mantiene estable para el funcionamiento pulsado .

La longitud del medio utilizado para KLM está limitada por la dispersión de la velocidad de grupo . KLM se utiliza en el control de desplazamiento de la envolvente de la portadora .

El inicio del bloqueo de modos por efecto de lente de Kerr depende de la intensidad del efecto no lineal involucrado. Si el campo láser se acumula en una cavidad, el láser debe superar la región de operación de onda continua , que suele verse favorecida por el mecanismo de bombeo. Esto se puede lograr mediante un efecto de lente de Kerr muy intenso, lo suficientemente fuerte como para provocar el bloqueo de modos debido a pequeñas variaciones en la intensidad del campo láser (acumulación de campo láser o fluctuaciones estocásticas).

El control de modo también puede iniciarse cambiando el enfoque óptimo de la operación en onda continua a la operación pulsada , modificando la densidad de potencia mediante el desplazamiento del espejo final de la cavidad resonante (aunque un espejo final oscilante síncrono montado sobre un piezoeléctrico sería más sencillo). Otros principios implican diferentes efectos no lineales, como absorbentes saturables y reflectores de Bragg saturables, que inducen pulsos lo suficientemente cortos como para iniciar el proceso de lente de Kerr.

Los cambios de intensidad con duraciones de nanosegundos se amplifican mediante el proceso de lente de Kerr, y la duración del pulso se reduce aún más para lograr mayores intensidades de campo en el centro del pulso. Este proceso de nitidez solo está limitado por el ancho de banda que se puede lograr con el material láser y los espejos de la cavidad, así como por la dispersión de la cavidad. El pulso más corto que se puede lograr con un espectro dado se denomina pulso limitado por el ancho de banda .

La tecnología de espejos modulados en frecuencia permite compensar el desajuste temporal de las diferentes longitudes de onda dentro de la cavidad debido a la dispersión del material, manteniendo al mismo tiempo una alta estabilidad y bajas pérdidas.

El efecto Kerr da lugar simultáneamente a la lente de Kerr y a la automodulación de fase . En una primera aproximación, es posible considerarlas como efectos independientes.

Dado que el bloqueo de modos de la lente de Kerr es un efecto que reacciona directamente sobre el campo eléctrico, el tiempo de respuesta es lo suficientemente rápido como para producir pulsos de luz en el visible y el infrarrojo cercano con duraciones inferiores a 5 femtosegundos . Debido a la alta intensidad del campo eléctrico, los haces láser ultracortos enfocados pueden superar el umbral de ^10¹⁴ W cm⁻² ^, que excede la intensidad del campo del enlace electrón-ión en los átomos.

Estos pulsos cortos abren el nuevo campo de la óptica ultrarrápida , un campo de la óptica no lineal que da acceso a una clase completamente nueva de fenómenos, como la medición de movimientos de electrones en un átomo (fenómenos de attosegundos), la generación de luz coherente de banda ancha ( láseres de banda ultraancha ) y, por lo tanto, da lugar a muchas aplicaciones nuevas en la detección óptica (por ejemplo, radar láser coherente, tomografía de coherencia óptica de ultra alta resolución ), el procesamiento de materiales y otros campos como la metrología (mediciones de frecuencia y tiempo extremadamente exactas).

1. DE Spence, PN Kean y W. Sibbett, Opt. Lett. 16, 42(1991).
2. M. Piche, opt. Comunitario. 86, 156 (1991).
3. B. Proctor, E. Westwig y F. Wise, Opt. Lett. 18, 1654(1993).
4. V. Magni, G. Cerullo y S. De Silvestri, Opt. Comunitario. 101, 365 (1993).