Bloqueo de modo

El bloqueo de modos es una técnica óptica que permite que un láser genere pulsos de luz de duración extremadamente corta, del orden de picosegundos (10⁻¹² ^s ) o femtosegundos ( ^10⁻¹⁵ s). Un láser que funciona de esta manera se denomina a veces láser de femtosegundos , por ejemplo, en cirugía refractiva moderna . La técnica se basa en inducir una relación de fase fija entre los modos longitudinales de la cavidad resonante del láser . La interferencia constructiva entre estos modos produce la luz láser como una sucesión de pulsos. En ese caso, se dice que el láser está "bloqueado en fase" o "bloqueado en modos".

Modos de cavidad láser

Una cavidad totalmente reflectante con bloqueo de modos que soporta los primeros 30 modos. El gráfico superior muestra los primeros 8 modos dentro de la cavidad (líneas) y el campo eléctrico total en diferentes posiciones dentro de la cavidad (puntos). El gráfico inferior muestra el campo eléctrico total dentro de la cavidad.

Aunque la luz láser es quizás la forma más pura de luz, no tiene una frecuencia o longitud de onda única y pura . Todos los láseres producen luz en un ancho de banda natural o rango de frecuencias. El ancho de banda de operación de un láser está determinado principalmente por el medio de ganancia con el que está construido, y el rango de frecuencias en el que puede operar se conoce como ancho de banda de ganancia. Por ejemplo, un láser típico de helio-neón tiene un ancho de banda de ganancia de aproximadamente 1,5 GHz (un rango de longitud de onda de aproximadamente 0,002 nm con una longitud de onda central de 633 nm), mientras que un láser de estado sólido de zafiro dopado con titanio ( Ti:zafiro ) tiene un ancho de banda de aproximadamente 128 THz (un rango de longitud de onda de 300 nm centrado en 800 nm). ^[¹^]

El segundo factor que determina las frecuencias de emisión de un láser es la cavidad óptica (o cavidad resonante) del mismo. En el caso más simple, esta consiste en dos espejos planos enfrentados que rodean el medio de ganancia del láser (esta disposición se conoce como cavidad Fabry-Pérot ). Dado que la luz es una onda , al rebotar entre los espejos de la cavidad, interfiere consigo misma de forma constructiva y destructiva, lo que da lugar a la formación de ondas estacionarias , o modos , entre los espejos. Estas ondas estacionarias forman un conjunto discreto de frecuencias, conocidas como modos longitudinales de la cavidad. Estos modos son las únicas frecuencias de luz que se autorregeneran y a las que la cavidad resonante permite oscilar; todas las demás frecuencias de luz se suprimen por interferencia destructiva. Para una cavidad simple de espejos planos, los modos permitidos son aquellos para los que la distancia de separación de los espejos $L$ es un múltiplo exacto de la mitad de la longitud de onda de la luz $λ$ , de modo que $L = q λ / 2$ , donde $q$ es un número entero conocido como orden del modo. ^{[ 2 ]}

En la práctica, $L$ suele ser mucho mayor que $λ$ , por lo que los valores relevantes de $q$ son grandes (alrededor de ^10⁵ a 10⁶ ⁾ . De mayor interés es la separación de frecuencia entre dos modos adyacentes cualesquiera $q$ $y$ q $+ 1$ ; esta viene dada (para un resonador lineal vacío de longitud $L$ ) por $Δν = c / 2L$ , donde $c$ es la velocidad de la luz (≈ 3×10⁸ ^m /s).

Utilizando la ecuación anterior, un láser pequeño con una separación de espejos de 30 cm tiene una separación de frecuencia entre modos longitudinales de 0,5 GHz. Por lo tanto, para los dos láseres mencionados anteriormente, con una cavidad de 30 cm, el ancho de banda de 1,5 GHz del láser HeNe admitiría hasta 3 modos longitudinales, mientras que el ancho de banda de 128 THz del láser de Ti:zafiro podría admitir aproximadamente 250 000 modos. Cuando se excita más de un modo longitudinal, se dice que el láser está en operación multimodo. Cuando solo se excita un modo longitudinal, se dice que el láser está en operación monomodo.

Cada modo longitudinal individual tiene un cierto ancho de banda o un rango estrecho de frecuencias sobre el cual opera, pero normalmente este ancho de banda, determinado por el factor Q de la cavidad (véase el interferómetro Fabry-Pérot ), es mucho menor que la separación de frecuencia entre modos.

Teoría del bloqueo de modos

En un láser simple, cada uno de estos modos oscila de forma independiente, sin una relación fija entre sí, esencialmente como un conjunto de láseres independientes, cada uno emitiendo luz a frecuencias ligeramente diferentes. La fase individual de las ondas de luz en cada modo no es fija y puede variar aleatoriamente debido a factores como los cambios térmicos en los materiales del láser. En láseres con pocos modos oscilantes, la interferencia entre ellos puede causar efectos de pulsación en la salida del láser, lo que provoca fluctuaciones en la intensidad; en láseres con miles de modos, estos efectos de interferencia tienden a promediar una intensidad de salida casi constante.

Si en lugar de oscilar independientemente, cada modo opera con una fase fija entre sí y los demás modos, entonces la salida del láser se comporta de manera muy diferente. En lugar de una intensidad de salida aleatoria o constante, los modos del láser interferirán periódicamente de forma constructiva entre sí, produciendo un pulso de luz intenso. Se dice que dicho láser está "bloqueado por modos" o "bloqueado por fase". Estos pulsos ocurren separados en el tiempo por $τ = 2 L / c$ , donde $τ$ es el tiempo que tarda la luz en dar una vuelta completa a través de la cavidad del láser. Este tiempo corresponde a una frecuencia exactamente igual al espaciado entre modos del láser, $Δ ν = 1/ τ$ .

La duración de cada pulso de luz está determinada por el número de modos que oscilan en fase (en un láser real, no necesariamente todos los modos del láser están sincronizados en fase). Si hay $N$ modos sincronizados con una separación de frecuencia $Δν, entonces el ancho de banda total de sincronización de modos es NΔν$ $,$ y $cuanto$ mayor sea este ancho de banda, menor será la $duración$ del pulso del láser. En la práctica, la duración real del pulso está determinada por $la$ $forma de cada pulso, que a su vez está determinada por la relación exacta de amplitud y fase de cada modo longitudinal. Por ejemplo, para un láser que$ produce pulsos con una forma temporal gaussiana , la duración mínima posible del pulso $Δt$ viene dada por

\Delta t={\frac {0.441}{N\,\Delta \nu }}.

El valor 0,441 se conoce como el " producto tiempo-ancho de banda " del pulso y varía según la forma del pulso. Para láseres de pulsos ultracortos , se suele asumir una forma de pulso de secante hiperbólica al cuadrado (sech² ⁾ , lo que da un producto tiempo-ancho de banda de 0,315.

Mediante esta ecuación, se puede calcular la duración mínima del pulso compatible con el ancho espectral medido del láser. Para el láser HeNe con un ancho de banda de 1,5 GHz, el pulso gaussiano más corto compatible con este ancho espectral es de aproximadamente 300 picosegundos; para el láser de Ti:zafiro con un ancho de banda de 128 THz, este ancho espectral corresponde a un pulso de tan solo 3,4 femtosegundos. Estos valores representan los pulsos gaussianos más cortos posibles compatibles con el ancho de banda del láser; en un láser de bloqueo de modos real, la duración real del pulso depende de muchos otros factores, como la forma del pulso y la dispersión general de la cavidad.

En principio, una modulación posterior podría acortar aún más la duración del pulso de dicho láser; sin embargo, la anchura espectral medida aumentaría en consecuencia.

Principio de sincronización de fase y modo

Existen muchas maneras de bloquear la frecuencia, pero el principio básico es el mismo: se basa en el bucle de retroalimentación del sistema láser. El punto de partida del bucle de retroalimentación es la magnitud que debe estabilizarse (frecuencia o fase). Para comprobar si la frecuencia varía con el tiempo, se necesita una referencia. Una forma común de medir la frecuencia del láser es relacionarla con una propiedad geométrica de una cavidad óptica. La cavidad Fabry-Pérot es la más utilizada para este fin; consta de dos espejos paralelos separados por una cierta distancia. Este método se basa en el hecho de que la luz solo puede resonar y transmitirse si la longitud del recorrido óptico de un solo viaje de ida y vuelta es un múltiplo entero de la longitud de onda de la luz. Una desviación de la frecuencia del láser respecto a esta condición disminuirá la transmisión de dicha frecuencia. La relación entre la transmisión y la desviación de frecuencia viene dada por una función lorentziana con un ancho de línea a media altura.

\Delta \nu _{c}={\frac {\Delta \nu _{\text{FSR}}}{\mathcal {F}}},

donde $Δ ν FSR = c /2 L$ es la diferencia de frecuencia entre resonancias adyacentes (es decir, el rango espectral libre) y $F$ es la finura ,

{\mathcal {F}}={\frac {\pi R^{\frac {1}{2}}}{1-R}},

donde $R$ es la reflectividad de los espejos. Por lo tanto, para obtener un ancho de línea de cavidad pequeño, los espejos deben tener una reflectividad mayor, así que para reducir el ancho de línea del láser al mínimo, se requiere una cavidad de alta finura.

Métodos de bloqueo de modo

Los métodos para producir el bloqueo de modos en un láser se pueden clasificar como "activos" o "pasivos". Los métodos activos generalmente implican el uso de una señal externa para inducir una modulación de la luz dentro de la cavidad. Los métodos pasivos no utilizan una señal externa, sino que se basan en la colocación de algún elemento dentro de la cavidad del láser que provoca la automodulación de la luz.

bloqueo de modo activo

La técnica de bloqueo de modos activo más común consiste en colocar un modulador electroóptico de onda estacionaria en la cavidad láser. Al ser excitado con una señal eléctrica, produce una modulación de amplitud sinusoidal de la luz en la cavidad. En el dominio de la frecuencia, si un modo tiene una frecuencia óptica $ν$ y se modula en amplitud a una frecuencia $f$ , la señal resultante presenta bandas laterales en las frecuencias ópticas $ν - f$ y $ν + f$ . Si el modulador se excita a la misma frecuencia que el espaciado entre modos de la cavidad $Δ ν$ , estas bandas laterales corresponden a los dos modos de la cavidad adyacentes al modo original. Dado que las bandas laterales se excitan en fase, el modo central y los modos adyacentes se sincronizarán en fase. La operación continua del modulador sobre las bandas laterales produce la sincronización de fase de los modos $ν - 2 f$ y $ν + 2 f$ , y así sucesivamente hasta que todos los modos en el ancho de banda de ganancia estén sincronizados. Como se mencionó anteriormente, los láseres típicos son multimodo y no se generan mediante un modo raíz, por lo que los distintos modos deben determinar qué fase utilizar. En una cavidad pasiva con este bloqueo aplicado, no hay forma de disipar la entropía generada por las fases independientes originales. Este bloqueo se describe mejor como un acoplamiento, lo que da lugar a un comportamiento complejo y a pulsos no limpios. El acoplamiento es disipativo únicamente debido a la naturaleza disipativa de la modulación de amplitud; de lo contrario, la modulación de fase no funcionaría.

Este proceso también puede considerarse en el dominio del tiempo. El modulador de amplitud actúa como un obturador débil para la luz que rebota entre los espejos de la cavidad, atenuándola cuando está cerrado y dejándola pasar cuando está abierto. Si la frecuencia de modulación $f$ se sincroniza con el tiempo de recorrido de la cavidad $τ$ , un único pulso de luz rebotará de un lado a otro dentro de la cavidad. La intensidad real de la modulación no tiene por qué ser grande; un modulador que atenúa el 1 % de la luz cuando está cerrado bloqueará los modos de un láser, ya que la misma parte de la luz se atenúa repetidamente al atravesar la cavidad.

Relacionado con la modulación de amplitud (AM), el bloqueo de modos activo es el bloqueo de modos por modulación de frecuencia (FM), que utiliza un modulador basado en el efecto acustoóptico . Este dispositivo, al colocarse en una cavidad láser y ser accionado con una señal eléctrica, induce un pequeño desplazamiento de frecuencia sinusoidal en la luz que lo atraviesa. Si la frecuencia de modulación coincide con el tiempo de recorrido de la cavidad, parte de la luz en la cavidad experimenta repetidos aumentos de frecuencia y otra parte, repetidos descensos. Tras muchas repeticiones, la luz con frecuencias aumentadas y disminuidas queda fuera del ancho de banda de ganancia del láser. La única luz que no se ve afectada es la que pasa a través del modulador cuando el desplazamiento de frecuencia inducido es cero, lo que forma un pulso de luz estrecho.

El tercer método de bloqueo de modos activo es el bloqueo de modos síncrono, o bombeo síncrono. En este método, la fuente de bombeo (fuente de energía) del láser se modula, encendiendo y apagando el láser para generar pulsos. Normalmente, la fuente de bombeo es otro láser con bloqueo de modos. Esta técnica requiere que las longitudes de cavidad del láser de bombeo y del láser de excitación coincidan con precisión.

Bloqueo en modo pasivo

Las técnicas de bloqueo de modos pasivo son aquellas que no requieren una señal externa al láser (como la señal de excitación de un modulador) para generar pulsos. En cambio, utilizan la luz dentro de la cavidad para provocar un cambio en algún elemento interno de la misma, lo que a su vez produce un cambio en la luz interna. Un dispositivo comúnmente utilizado para lograr esto es un absorbedor saturable .

Un absorbedor saturable es un dispositivo óptico cuya transmisión depende de la intensidad, lo que significa que su comportamiento varía según la intensidad de la luz que lo atraviesa. Para el bloqueo de modos pasivo, idealmente un absorbedor saturable absorbe selectivamente la luz de baja intensidad, pero transmite la luz de intensidad suficientemente alta. Al colocarse en una cavidad láser, un absorbedor saturable atenúa la luz de onda constante de baja intensidad (flancos de pulso). Sin embargo, debido a las fluctuaciones de intensidad, en cierto modo aleatorias, que experimenta un láser sin bloqueo de modos, cualquier pico intenso y aleatorio se transmite preferentemente a través del absorbedor saturable. A medida que la luz en la cavidad oscila, este proceso se repite, lo que lleva a la amplificación selectiva de los picos de alta intensidad y a la absorción de la luz de baja intensidad. Tras muchos ciclos, esto genera una secuencia de pulsos y el bloqueo de modos del láser.

Considerando esto en el dominio de la frecuencia, si un modo tiene una frecuencia óptica $ν$ y se modula en amplitud a una frecuencia $nf$ , entonces la señal resultante tiene bandas laterales en las frecuencias ópticas $ν - nf$ y $ν + nf$ y permite un bloqueo de modo mucho más fuerte para pulsos más cortos y mayor estabilidad que el bloqueo de modo activo, pero tiene problemas de arranque.

Los absorbentes saturables suelen ser colorantes orgánicos líquidos , pero también pueden estar hechos de cristales dopados y semiconductores . Los absorbentes semiconductores tienden a presentar tiempos de respuesta muy rápidos (~100 fs), lo que determina la duración final de los pulsos en un láser de bloqueo de modos pasivo. En un láser de bloqueo de modos de pulsos colisionantes, el absorbente acentúa el borde de ataque, mientras que el medio láser acentúa el borde de salida del pulso.

También existen esquemas de bloqueo de modos pasivo que no dependen de materiales con absorción dependiente de la intensidad. En estos métodos, se utilizan efectos ópticos no lineales en los componentes intracavitarios para amplificar selectivamente la luz de alta intensidad dentro de la cavidad y atenuar la de baja intensidad. Uno de los esquemas más exitosos se denomina bloqueo de modos por lente Kerr (KLM), también conocido como "autobloqueo de modos". Este método utiliza un proceso óptico no lineal, el efecto Kerr óptico , que produce un enfoque diferente de la luz de alta intensidad con respecto a la de baja intensidad. Mediante una disposición precisa de una apertura en la cavidad láser, este efecto puede aprovecharse para generar el equivalente a un absorbedor saturable de respuesta ultrarrápida.

Bloqueo del modo híbrido

En algunos láseres semiconductores, se puede utilizar una combinación de las dos técnicas anteriores. Al emplear un láser con un absorbedor saturable y modular la inyección eléctrica a la misma frecuencia a la que está bloqueado el láser, este puede estabilizarse mediante la inyección eléctrica. Esto tiene la ventaja de estabilizar el ruido de fase del láser y puede reducir la fluctuación temporal de los pulsos.

Bloqueo de modos por campos de cavidades residuales

También se ha observado la transferencia coherente de información de fase entre pulsos láser consecutivos en láseres de nanocables . En este caso, la información de fase se ha almacenado en el campo de fotones residual de las oscilaciones de Rabi coherentes en la cavidad. Estos hallazgos abren el camino al bloqueo de fase de fuentes de luz integradas en circuitos fotónicos a escala de chip y aplicaciones como la espectroscopia de peine de Ramsey en chip. ^{[ 3 ]}

bloqueo de modos en el dominio de Fourier

El bloqueo de modos en el dominio de Fourier (FDML) es una técnica de bloqueo de modos láser que crea una salida de luz de onda continua y barrida en longitud de onda. ^{[ 4 ]} Una aplicación principal de los láseres FDML es la tomografía de coherencia óptica .

Láseres prácticos de modo bloqueado

En la práctica, diversas consideraciones de diseño afectan el rendimiento de un láser de bloqueo de modos. Las más importantes son la dispersión total del resonador óptico del láser , que puede controlarse con un compresor de prisma o con espejos dispersivos colocados en la cavidad, y las no linealidades ópticas . Si la dispersión de retardo de grupo (GDD) de la cavidad láser es excesiva, la fase de los modos de la cavidad no se puede bloquear en un ancho de banda amplio, lo que dificulta la obtención de pulsos muy cortos. Para una combinación adecuada de GDD negativa (anómala) con la no linealidad de Kerr , las interacciones tipo solitón pueden estabilizar el bloqueo de modos y ayudar a generar pulsos más cortos. La duración de pulso más corta posible se suele lograr con dispersión cero (sin no linealidades) o con una dispersión ligeramente negativa (anómala) (aprovechando el mecanismo de solitón).

Los pulsos ópticos más cortos producidos directamente se generan generalmente mediante láseres de Ti:zafiro con bloqueo de modos de lente Kerr y tienen una duración aproximada de 5 femtosegundos. Como alternativa, se pueden crear pulsos amplificados de duración similar mediante la compresión de pulsos más largos (por ejemplo, de 30 fs) por automodulación de fase en una fibra de núcleo hueco o durante la filamentación. Sin embargo, la duración mínima del pulso está limitada por el periodo de la frecuencia portadora (que es de aproximadamente 2,7 fs para los sistemas de Ti:zafiro); por lo tanto, para obtener pulsos más cortos es necesario utilizar longitudes de onda más cortas. Algunas técnicas avanzadas (que implican la generación de armónicos de alto orden con pulsos láser de femtosegundos amplificados) permiten producir estructuras ópticas con duraciones de tan solo 100 attosegundos en la región espectral del ultravioleta extremo (es decir, <30 nm). Otros logros, importantes sobre todo para las aplicaciones láser , se refieren al desarrollo de láseres de bloqueo de modos que pueden ser bombeados con diodos láser , pueden generar potencias de salida promedio muy altas (decenas de vatios) en pulsos de subpicosegundos, o generar trenes de pulsos con tasas de repetición extremadamente altas de muchos GHz.

Las duraciones de pulso inferiores a aproximadamente 100 fs son demasiado cortas para medirse directamente mediante técnicas optoelectrónicas (es decir, fotodiodos ), por lo que se utilizan métodos indirectos, como la autocorrelación , la compuerta óptica resuelta en frecuencia , la interferometría de fase espectral para la reconstrucción directa del campo eléctrico , el escaneo de fase de interferencia intrapulso multifotónica y la oscilación de amplitud .

Aplicaciones

Fusión nuclear ( fusión por confinamiento inercial ).
Óptica no lineal, como la generación de segundo armónico , la conversión descendente paramétrica , los osciladores paramétricos ópticos y la generación de radiación de terahercios .
El almacenamiento óptico de datos utiliza láseres, y la tecnología emergente de almacenamiento óptico de datos 3D generalmente se basa en la fotoquímica no lineal. Por esta razón, muchos ejemplos utilizan láseres de modo bloqueado, ya que pueden ofrecer una frecuencia de repetición muy alta de pulsos ultracortos.
Nanomecanizado con láser de femtosegundos: los pulsos cortos se pueden utilizar para nanomecanizar muchos tipos de materiales.
Un ejemplo de micromecanizado en picosegundos y femtosegundos es la perforación de la superficie de inyección de silicio de las impresoras de inyección de tinta .
Microscopía de dos fotones .
Cirugía corneal (véase cirugía refractiva ). Los láseres de femtosegundo pueden utilizarse para crear microburbujas en la córnea . Una línea de microburbujas puede utilizarse para crear un corte en la córnea, sustituyendo al microqueratomo , como en la creación de un colgajo en la cirugía LASIK (a veces denominada Intralasik o cirugía totalmente láser). También se pueden crear microburbujas en múltiples capas para extraer un fragmento de tejido corneal entre ellas (procedimiento conocido como extracción de lentículo por incisión pequeña ).
Se ha desarrollado una técnica láser que transforma la superficie de los metales en un negro intenso. Un pulso láser de femtosegundos deforma la superficie del metal, formando nanoestructuras . El área superficial, enormemente aumentada, puede absorber prácticamente toda la luz que incide sobre ella, lo que le confiere un color negro intenso. Este es un tipo de oro negro . ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}
Muestreo fotónico, que utiliza la alta precisión de los láseres frente a los relojes electrónicos para disminuir el error de muestreo en los convertidores analógico-digitales electrónicos.

Mecanismo de bloqueo de la cavidad láser

La luz monocromática es una propiedad del láser que depende de su principio de funcionamiento fundamental, el cual contiene elementos de selección de frecuencia. Por ejemplo, en los láseres de diodo , los resonadores de espejo externo y las rejillas de difracción son estos elementos. Mediante la selección de frecuencia, se obtiene una emisión espectral de luz muy estrecha. Sin embargo, al observar con detenimiento, se aprecian fluctuaciones de frecuencia que ocurren en diferentes escalas de tiempo. Estas fluctuaciones pueden deberse a diversas causas, como variaciones en la tensión de entrada, vibraciones acústicas o cambios en la presión y la temperatura del entorno. Por lo tanto, para reducir estas fluctuaciones de frecuencia, es necesario estabilizar la fase o la frecuencia del láser externamente. La estabilización de las propiedades del láser mediante una fuente o referencia externa se denomina generalmente "bloqueo láser" o simplemente "bloqueo".

Generación de señales de error

La generación de señales de error tiene como objetivo crear una señal electrónica proporcional a la desviación del láser respecto a una frecuencia o fase predefinida, denominada "punto de enganche". Si la frecuencia del láser es alta, la señal es positiva; si es muy baja, es negativa. El punto donde la señal es cero se denomina punto de enganche. El enganche del láser basado en una señal de error que depende de la frecuencia se denomina enganche de frecuencia, y si la señal de error depende de la desviación de fase del láser, se denomina enganche de fase. Si la señal se genera mediante un sistema óptico con referencias, como referencias de frecuencia, la señal óptica se convierte directamente en frecuencias detectables. Otra opción es registrar la señal con un fotodiodo o una cámara y modificarla electrónicamente.

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

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Qiaoliang Bao, Han Zhang, Yu Wang, Zhenhua Ni, Yongli Yan, Ze Xiang Shen, Kian Ping Loh y Ding Yuan Tang, Advanced Functional Materials, "Grafeno de capa atómica como absorbente saturable para láseres pulsados ultrarrápidos"
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Enlaces externos

Enciclopedia de física y tecnología láser sobre bloqueo de modos y láseres de bloqueo de modos

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[2] Paschotta, Dr. Rüdiger (2007-04-20). "Resonadores ópticos" . RP Photonics Encyclopedia . doi : 10.61835/llf .

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