Un espejo con chirrido es un espejo dieléctrico con espacios chirridos (espacios de profundidad variable diseñados para reflejar longitudes de onda variables de luces) entre las capas dieléctricas (pila).
Los espejos chirridos se utilizan en aplicaciones como láseres para reflejar una gama más amplia de longitudes de onda de luz que los espejos dieléctricos ordinarios, o para compensar la dispersión de longitudes de onda que pueden crear algunos elementos ópticos. [1]
Los espejos chirridos también se encuentran en sistemas biológicos de color estructural , [2] incluido el color dorado brillante y plateado de los élitros de ciertos escarabajos , por ejemplo, los del género Ruteline Chrysina . En estos casos, el espejo chirriante genera un color complejo (como el dorado o el plateado) cuando se ilumina con luz blanca al reflejar simultáneamente una amplia gama de colores monocromáticos .
Explicación simple
Un espejo dieléctrico ordinario está hecho para reflejar una sola frecuencia de luz. El espejo dieléctrico está hecho de materiales transparentes que tienen capas uniformes a una profundidad de 1/4 de la longitud de onda de la luz que el espejo dieléctrico está diseñado para reflejar. Además, los coeficientes de reflexión de amplitud para las interfaces tienen signos alternos, por lo tanto, todos los componentes reflejados de las interfaces interfieren de manera constructiva, lo que da como resultado una fuerte reflexión para la longitud de onda diseñada. El espejo dieléctrico es transparente a otras longitudes de onda de luz, excepto a aquellas en una banda muy estrecha alrededor de la longitud de onda para la que está diseñado para reflejar.
Un espejo chirriante está hecho para reflejar una gama más amplia de frecuencias. Esto se hace creando capas con diferentes profundidades. Puede haber 10 capas con una profundidad diseñada para reflejar una cierta longitud de onda de luz, otras 10 capas con una profundidad ligeramente mayor para reflejar una longitud de onda de luz un poco más larga, y así sucesivamente para todo el rango de longitudes de onda de luz que el espejo está diseñado para reflejar. . El resultado es un espejo que puede reflejar una amplia gama de longitudes de onda de luz en lugar de una sola banda estrecha de longitudes de onda.
Debido a que la luz reflejada desde las capas más profundas del espejo viaja una distancia más larga que la luz que se refleja en las capas superficiales, se puede diseñar un espejo chirriante para cambiar los tiempos relativos de los frentes de onda de diferentes longitudes de onda que se reflejan en él. Esto se puede utilizar, por ejemplo, para dispersar un pulso de luz de diferentes longitudes de onda que llega todo a la vez o para apretar un pulso de luz donde llegan diferentes longitudes de onda dispersas en el tiempo.
Esta capacidad para apretar o empacar más apretadamente un pulso de luz de diferentes longitudes de onda es importante, porque algunos elementos ópticos de uso común dispersan naturalmente un paquete de luz según la longitud de onda, un fenómeno conocido como dispersión cromática . Se puede diseñar un espejo chirriante para compensar la dispersión cromática creada por otros elementos ópticos en un sistema.
Esta es una explicación simplificada y omite algunas consideraciones técnicas importantes pero más complejas.
Explicación técnica
Para espejos dieléctricos, materiales con un índice de refracción entre aprox. 1.5 y 2.2 están disponibles. La amplitud de la reflexión de Fresnel es de aproximadamente 0,2. Con 10 capas se refleja aproximadamente 0,99 de la amplitud de luz que es 0,98 de la intensidad de luz. Entonces, si un espejo chirrido dado tiene 60 capas, la luz de una frecuencia específica interactúa solo con una sexta parte de toda la pila.
El reflejo de la primera superficie equivale a un reflejo temprano con un chirrido inalterado. Esto se evita conservando algunas capas para el revestimiento antirreflectante . En un caso simple, esto se hace con una sola capa de MgF 2 (que tiene un índice de refracción de 1,38 en el infrarrojo cercano). El ancho de banda es grande, pero no una octava. Como la incidencia varía de normal al ángulo de Brewster , la luz p-polarizada se refleja cada vez menos. Para eliminar los reflejos residuales de la superficie en el caso de varios espejos, la distancia entre la superficie y la pila es diferente para cada espejo.
Ingenuamente, uno pensaría que el chirrido comienza fuera del rango de longitud de onda deseado, y cualquier longitud de onda dentro del rango experimenta una resonancia completa que se desvanece y se desvanece. Un cálculo detallado (referencias en el enlace externo) muestra que la reflectividad del espejo también debe emitirse, lo que se puede hacer asignando la media longitud de onda de manera desigual entre las zonas de índice alto y bajo. Estos se llaman espejos de chirrido doble.
Solicitud
En los láseres Ti-zafiro que emplean el modelo de lente Kerr , los espejos chirriantes se utilizan a menudo como el único medio para compensar las variaciones de retardo de grupo. Teniendo en cuenta los números anteriores, un solo espejo puede compensar una longitud de trayectoria óptica de 4 μm. Teniendo en cuenta la velocidad del grupo, esto es suficiente para los 3 m de aire dentro de la cavidad, para los 3 mm de Ti: cristal de zafiro se necesitan tres espejos más, de modo que ya se pueda compensar una simple cavidad en Z. Por otro lado, la ganancia del cristal de aproximadamente 1,1, que es lo suficientemente alta como para compensar la pérdida de 8 espejos, lo que da más grados de libertad en la compensación de retardo de grupo. Lo más crítico para los pulsos cortos es que los componentes de frecuencia fuera del rango de ganancia del cristal generado indirectamente por la modulación de fase propia no se pierden a través de los espejos finales o plegables, sino que se transmiten a través del espejo de acoplamiento externo. En una especie de decisión por mayoría, los modos del láser deciden qué grupo de retardo elegir, y los componentes espectrales cercanos a este retardo se enfatizan en la salida. Debido a las ondas en la compensación, el espectro también tiene ondas. Una sola pila refleja entre 780 nm y 800 nm. El espejo chirriante con 6 veces las capas puede ser reflectante desde 730 nm hasta 850 nm. La ganancia de Ti: Sa es mayor que una entre 600 nm y 1200 nm. Para reflejar este ancho de banda, se deben aceptar mayores pérdidas.
En la amplificación de pulso Chirped, estos espejos se utilizan para corregir variaciones residuales de retardo de grupo después de que se inserta un compresor de rejilla en el sistema.
Referencias
- ^ Robert Szipöcs, Kárpát Ferencz, Christian Spielmann y Ferenc Krausz, "Recubrimientos multicapa Chirped para el control de la dispersión de banda ancha en láseres de femtosegundos", Opc. Letón. 19, 201-203 (1994)
- ^ Cocinero, Caleb Q .; Amir, Ariel (20 de diciembre de 2016). "Teoría de los cristales fotónicos chirridos en reflectores biológicos de banda ancha" . Optica . 3 (12): 1436–1439. arXiv : 1608.05831 . doi : 10.1364 / OPTICA.3.001436 . ISSN 2334-2536 .