Acoplador de salida

En la ciencia láser , un acoplador de salida ( OC ) es el componente de un resonador óptico que permite extraer una porción de la luz del haz intracavitario del láser . Un acoplador de salida suele consistir en un espejo parcialmente reflectante , que permite el paso de una parte del haz intracavitario. Otros métodos incluyen el uso de espejos casi totalmente reflectantes en cada extremo de la cavidad, emitiendo el haz ya sea enfocándolo en un pequeño orificio perforado en el centro de uno de los espejos, o redirigiéndolo mediante espejos giratorios, prismas u otros dispositivos ópticos, lo que provoca que el haz pase por alto uno de los espejos de los extremos en un momento dado.

En su forma más común, un acoplador de salida consiste en un espejo parcialmente reflectante , a veces llamado divisor de haz . La reflectancia y la transmitancia del espejo suelen estar determinadas por la ganancia del medio láser . En algunos láseres, la ganancia es muy baja, por lo que el haz debe realizar cientos de pasadas a través del medio para obtener una ganancia suficiente. En este caso, el acoplador de salida puede tener una reflectancia de hasta el 99%, transmitiendo solo el 1% del haz de la cavidad que se va a utilizar. Un láser de colorante tiene una ganancia muy alta en comparación con la mayoría de los láseres de estado sólido, por lo que el haz necesita realizar solo unas pocas pasadas a través del líquido para alcanzar su ganancia óptima; por lo tanto, el acoplador de salida suele tener una reflectancia de alrededor del 80%. En otros, como un láser de excímero , la reflectividad del 4% del vidrio sin recubrimiento proporciona un espejo suficiente, transmitiendo casi el 96% del haz intracavitario.

Los láseres funcionan reflejando la luz entre dos o más espejos que tienen un medio láser activo entre ellos. El medio amplifica la luz por emisión estimulada . Para que se produzca la emisión láser, la ganancia del medio activo debe ser mayor que la pérdida total, que incluye tanto efectos no deseados como la absorción , la emisión en direcciones distintas a la trayectoria del haz y la liberación intencional de energía a través del acoplador de salida. En otras palabras, el láser debe alcanzar el umbral .

El acoplador de salida tiene tres propiedades importantes:

• Radios de curvatura

La forma de la superficie del acoplador de salida, junto con la forma del reflector de alta reflectividad, determina la estabilidad de la cavidad óptica. El acoplador de salida puede ser plano o curvo , según el diseño de la cavidad óptica. El radio de curvatura suele estar determinado por el tipo de cavidad deseada (p. ej.: plano/plano, concéntrica, confocal, etc.), así como por el diámetro y la longitud de la cavidad. La cara del acoplador de salida que da al interior de la cavidad es la que tiene el recubrimiento parcialmente reflectante aplicado. Este lado determina parcialmente las propiedades modales del láser. Si esta superficie interior es curva, la superficie exterior también debe serlo. Esto impedirá que el acoplador de salida funcione como una lente. La curvatura de la superficie exterior se puede diseñar para obtener una salida láser colimada. Esta superficie exterior generalmente tiene un recubrimiento antirreflectante aplicado para maximizar la potencia de salida. Para minimizar las pérdidas, mejorar el perfil del haz y maximizar la coherencia, la forma de la superficie se fabrica normalmente con tolerancias de ingeniería muy altas , minimizando cualquier desviación de una superficie ideal. Estas desviaciones suelen ser tan pequeñas que se miden en longitudes de onda de luz, utilizando dispositivos como interferómetros o superficies ópticas planas . Normalmente, un acoplador de salida láser se fabrica con tolerancias de λ/10 (una décima parte de la longitud de onda de la luz) o mejores.

• Reflectividad

Dependiendo de la ganancia del medio, la cantidad de luz que el OC necesita reflejar puede variar ampliamente. Los láseres de helio-neón requieren un espejo con una reflectividad de alrededor del 99% para funcionar, mientras que los láseres de nitrógeno tienen una ganancia extremadamente alta (son " superradiantes ") y no requieren ningún OC (0% de reflectividad). La reflectividad de cualquier OC variará con la longitud de onda . Los espejos recubiertos de metal generalmente tienen una buena reflectividad en un ancho de banda amplio, pero pueden no cubrir una porción completa del espectro. La plata tiene hasta un 99,9% de reflectividad en el rango visible, pero es un mal reflector de ultravioleta. El aluminio no refleja bien el infrarrojo, pero es un buen reflector desde el rango visible hasta el ultravioleta cercano, mientras que el oro es altamente reflectante a la luz infrarroja pero un mal reflector de longitudes de onda más cortas que el amarillo. Un espejo dieléctrico puede tener un rango de sintonización tan bajo como 10  nm cuando se diseña para una longitud de onda específica, o puede diseñarse con un amplio rango, que abarca hasta 100  nm, para láseres sintonizables . Por este motivo, es importante tener en cuenta las propiedades espectrales del OC al ensamblar una cavidad láser.

• Transmisividad

El material utilizado como sustrato del espejo también es un factor importante. La mayoría de los vidrios presentan una buena transmitancia desde el ultravioleta cercano hasta el infrarrojo cercano, pero los láseres que emiten en longitudes de onda más cortas o más largas pueden requerir un sustrato diferente. Por ejemplo, el seleniuro de zinc se utiliza habitualmente en láseres de dióxido de carbono debido a su alta transmitancia en longitudes de onda infrarrojas.

Un descargador de cavidad es un acoplador de salida que realiza la función de un conmutador Q. Permite que la energía se acumule en la cavidad óptica y luego la libera en un intervalo de tiempo específico. Esto permite que el haz alcance altos niveles y luego se libere en un tiempo muy corto; a menudo dentro del tiempo que tarda una onda de luz en completar un viaje de ida y vuelta a través de la cavidad, de ahí su nombre. Después de acumular intensidad, la cavidad descarga repentinamente su energía. Los descargadores de cavidad generalmente utilizan un espejo de alta reflectividad en cada extremo de la cavidad, lo que permite que el haz reciba la ganancia completa del medio. En un intervalo específico, el haz se redirige mediante un dispositivo como una celda de Pockels , un modulador acustoóptico o un prisma o espejo de rotación rápida. Este haz redirigido evita el espejo final, lo que permite la emisión de un pulso muy potente. Los descargadores de cavidad se pueden utilizar para operación en onda continua, pero su uso más común es con láseres de bloqueo de modos , para extraer un pulso muy corto en su intensidad máxima. ^{[ 1 ]}

• Construcción láser