En óptica no lineal , la propagación del filamento es la propagación de un haz de luz a través de un medio sin difracción . Esto es posible porque el efecto Kerr provoca un cambio en el índice de refracción en el medio, lo que resulta en el autoenfoque del haz. [1]
Las huellas de daño filamentario en el vidrio causadas por pulsos de láser fueron observadas por primera vez por Michael Hercher en 1964. [2] La propagación de los pulsos de láser en la atmósfera fue observada en 1994 por Gérard Mourou y su equipo en la Universidad de Michigan . El equilibrio entre la refracción de autoenfoque y la difracción de auto atenuación por ionización y rarefacción de un rayo láser de intensidades de teravatios, creado por amplificación de pulso chirrido, en la atmósfera crea "filamentos" que actúan como guías de ondas para el haz evitando así la divergencia. Las teorías en competencia, que el filamento observado era en realidad una ilusión creada por un axicónico (bessel) o foco en movimiento en lugar de una concentración "guiada por ondas" de la energía óptica, fueron descartadas por trabajadores del Laboratorio Nacional de Los Alamos en 1997. [3] Aunque se han desarrollado modelos sofisticados para describir el proceso de filamentación, un modelo propuesto por Akozbek et al. [4] proporciona una solución semi-analítica y fácil de entender para la propagación de fuertes pulsos de láser en el aire.
La propagación de filamentos en un medio semiconductor también se puede observar en láseres emisores de superficie de cavidad vertical de gran apertura .
Filamentación láser de femtosegundos en medios gaseosos
Autoenfoque
Un rayo láser que atraviesa un medio puede modular el índice de refracción del medio como [5]
dónde , y son el índice de refracción lineal, el índice de refracción de segundo orden y la intensidad del campo de propagación del láser, respectivamente. El autoenfoque ocurre cuando el cambio de fase debido al efecto Kerr compensa el cambio de fase debido a la divergencia del haz de Gauss. Cambio de fase debido a la difracción de un haz gaussiano después de atravesar una longitud de es
y el cambio de fase debido al efecto Kerr es
- .
dónde , (Rango de Rayleigh) y es la cintura del rayo gaussiano. Para que suceda el autoenfoque, uno tiene que satisfacer la condición delos términos sean iguales en magnitud tanto para las fases de Kerr como para las de difracción. Por eso
- .
Por otro lado, sabemos que el área de un rayo gaussiano en su cintura es . Por lo tanto [6]
- .
Nota
El autoenfoque necesita una potencia máxima del láser superior a la potencia crítica (orden de gigavatios en el aire [7] ), sin embargo, para pulsos infrarrojos (IR) de nanosegundos con potencias máximas superiores a la potencia crítica, el autoenfoque no es posible. La ionización multifotónica, la Bremsstrahlung inversa y la ionización por avalancha de electrones son los tres resultados principales de la interacción de gas y láser. Los dos últimos procesos son interacciones de tipo colisión y requieren tiempo para realizarse (picosegundos a nanosegundos). Un pulso de nanosegundos es lo suficientemente largo para desarrollar la descomposición del aire antes de que la potencia alcance el orden de GW requerido para el autoenfoque. La descomposición del gas produce plasma que tiene un efecto absorbente y reflectante, por lo que se prohíbe el autoenfoque. [7]
Reenfoque durante la propagación de un pulso láser corto enfocado
Un fenómeno interesante relacionado con la propagación del filamento es el reenfoque de pulsos láser enfocados después del enfoque geométrico. [8] [9] La propagación del haz gaussiano predice un aumento del ancho del haz bidireccionalmente alejado del foco geométrico. Sin embargo, en la situación de filamentación láser, el rayo volverá a colapsar rápidamente. Esta divergencia y reenfoque continuará indefinidamente.
Propagación de filamentos en sistemas fotorreactivos
La formación y propagación de filamentos también se puede observar en los sistemas de fotopolímeros. Estos sistemas muestran una no linealidad óptica similar a Kerr a través de aumentos fotorreactivos en el índice de refracción. [10] Los filamentos se forman como resultado del auto-atrapamiento de haces individuales o de la inestabilidad de modulación de un perfil de luz de área amplia. Se ha observado la propagación de filamentos en varios sistemas fotopolimerizables, incluidos el organosiloxano, [11] acrílicos, [12] epoxi y copolímeros con epoxis, [13] y mezclas de polímeros. [14] [15] Las ubicaciones de formación y propagación de filamentos pueden controlarse modulando el perfil espacial del campo de luz de entrada. Dichos sistemas fotorreactivos son capaces de producir filamentos a partir de luz incoherente espacial y temporalmente, porque la reacción lenta responde a la intensidad media en el tiempo del campo óptico, por lo que las fluctuaciones de femto-segundo desaparecen. [11] Esto es similar a los medios foto-refractivos con respuestas no instantáneas, que permiten la propagación del filamento con luz incoherente o parcialmente incoherente. [dieciséis]
Aplicaciones potenciales
Los filamentos, habiendo hecho un plasma, convierten el pulso láser de banda estrecha en un pulso de banda ancha que tiene un conjunto de aplicaciones completamente nuevo. Un aspecto interesante del plasma inducido por filamentación es la densidad limitada de los electrones, un proceso que evita la degradación óptica. [17] Este efecto proporciona una fuente excelente para la espectroscopia de alta presión con un nivel bajo de continuo y también un ensanchamiento de línea más pequeño. [18] Otra aplicación potencial es el LIDAR -monitoreo del aire. [19]
El corte en cubos de panel plano usando pulsos de láser cortos es una aplicación importante debido al hecho de que a medida que los sustratos de vidrio se vuelven más delgados, se vuelve más difícil mejorar el rendimiento del proceso usando técnicas convencionales de corte con hoja de diamante. El uso de pulsos cortos a velocidades de corte de más de 400 mm / s se ha demostrado con éxito en vidrio no alcalino y vidrio de borosilicato, utilizando un láser de femtosegundo de alta potencia de 50 kHz y 5 W. El principio de trabajo desarrollado por Kamata et al. [20] es el siguiente. El rayo láser de pulso corto que tiene una longitud de onda a la que el trabajo es transparente se dirige a la superficie frontal del trabajo hacia la superficie posterior y se enfoca. Se forma un filamento en la dirección del rayo de luz que viaja desde la cintura del rayo mediante la acción de autoenfoque debido a la propagación del rayo láser en el trabajo. La sustancia en el filamento se descompone por el rayo láser y se puede descargar desde la superficie posterior, y se forma una cavidad en el canal. Mientras se forma la cavidad, se escanea el rayo láser, se forma una superficie mecanizada y, posteriormente, el trabajo se puede cortar con una tensión de flexión débil. [ cita requerida ]
En julio de 2014, investigadores de la Universidad de Maryland informaron sobre el uso de pulsos de láser de femtosegundos filamentosos en una disposición cuadrada para producir un gradiente de densidad en el aire que actuaba como una guía de ondas óptica que duraba del orden de varios milisegundos. Las pruebas iniciales demostraron una ganancia de señal del 50% sobre una señal no guiada a una distancia de aproximadamente un metro. [21]
Referencias
- ^ Rashidian Vaziri, MR (2013). "Describir la propagación de pulsos láser intensos en medios Kerr no lineales utilizando el modelo de conductos". Física láser . 23 (10): 105401. Bibcode : 2013LaPhy..23j5401R . doi : 10.1088 / 1054-660X / 23/10/105401 .
- ^ Hercher, M. (1964). "Daño inducido por láser en medios transparentes". Revista de la Optical Society of America . 54 : 563.
- ^ Xhao, XM; Jones, RJ; Strauss, CEM; Funk, DJ; Roberts, JP; Taylor, AJ (1997). "Control de la formación de filamentos de pulso de femtosegundos en el aire a través de la variación del chirrido inicial del pulso". CLEO '97., Resúmenes de trabajos presentados en la Conferencia sobre Láseres y Electroóptica . 11 . IEEE. págs. 377–378. doi : 10.1109 / CLEO.1997.603294 . ISBN 0-7803-4125-2. S2CID 120016673 .
- ^ N Aközbek, CM Bowden, A Talebpour, SL Chin, Propagación del pulso de femtosegundos en el aire: análisis de variaciones, Phys. Rev. E 61 , 4540–4549 (2000)
- ^ Boyd, Robert. Óptica no lineal (Tercera ed.). Prensa académica.
- ^ Diels, Jean-Claude; Rudolph, Wolfgang (5 de octubre de 2006). Fenómenos de pulso láser ultracorto (Segunda ed.). ISBN 978-0-12-215493-5.
- ^ a b Chin, SL; Wang, TJ; Marceau, C. (2012). "Avances en la filamentación láser intensa de femtosegundos en el aire" . Física láser . 22 (1): 1–53. Código bibliográfico : 2011LaPhy.tmp..464C . doi : 10.1134 / S1054660X11190054 . S2CID 12993181 .
- ^ M. Mlejnek, EM Wright, JV Moloney, Opc. Letón. 23 1998 382
- ^ A. Talebpour, S. Petit, SL Chin, Reenfoque durante la propagación de un femtosegundo enfocadoTi: Pulso de láser de zafiro en el aire, Optics Communications 171 1999 285-290
- ^ Kewitsch, Anthony S .; Yariv, Amnon (1 de enero de 1996). "Autoenfoque y auto-atrapamiento de haces ópticos por fotopolimerización" (PDF) . Letras de óptica . 21 (1): 24–6. Código Bibliográfico : 1996OptL ... 21 ... 24K . doi : 10.1364 / OL.21.000024 . ISSN 1539-4794 . PMID 19865292 .
- ^ a b Burgess, Ian B .; Shimmell, Whitney E .; Saravanamuttu, Kalaichelvi (1 de abril de 2007). "Formación de patrón espontáneo debido a la inestabilidad de la modulación de la luz blanca incoherente en un medio fotopolimerizable". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 129 (15): 4738–4746. doi : 10.1021 / ja068967b . ISSN 0002-7863 . PMID 17378567 .
- ^ Biria, Saeid; Malley, Philip PA; Kahan, Tara F .; Hosein, Ian D. (3 de marzo de 2016). "Formación de patrones ópticos no lineales sintonizables y microestructura en sistemas de acrilato de enlaces cruzados durante la polimerización por radicales libres". El Diario de la Química Física C . 120 (8): 4517–4528. doi : 10.1021 / acs.jpcc.5b11377 . ISSN 1932-7447 .
- ^ Basker, Dinesh K .; Brook, Michael A .; Saravanamuttu, Kalaichelvi (3 de septiembre de 2015). "Aparición espontánea de ondas de luz no lineales y microestructura de guía de ondas autoinscrita durante la polimerización catiónica de epóxidos". El Diario de la Química Física C . 119 (35): 20606–20617. doi : 10.1021 / acs.jpcc.5b07117 . ISSN 1932-7447 .
- ^ Biria, Saeid; Malley, Phillip PA; Kahan, Tara F .; Hosein, Ian D. (15 de noviembre de 2016). "La autocatálisis óptica establece una dinámica espacial novedosa en la separación de fases de mezclas de polímeros durante el fotopolimerización". Cartas de macro ACS . 5 (11): 1237-1241. doi : 10.1021 / acsmacrolett.6b00659 .
- ^ Biria, Saeid; Hosein, Ian D. (9 de mayo de 2017). "Control de la morfología en mezclas de polímeros a través de la auto-atrapamiento de la luz: un estudio in situ de la evolución de la estructura, la cinética de reacción y la separación de fases". Macromoléculas . 50 (9): 3617–3626. Código Bib : 2017MaMol..50.3617B . doi : 10.1021 / acs.macromol.7b00484 . ISSN 0024-9297 .
- ^ Solitones espaciales | Stefano Trillo | Springer . Serie Springer en Ciencias Ópticas. Saltador. 2001. ISBN 9783540416531. Archivado desde el original el 21 de diciembre de 2017.
- ^ A. Talebpour et al., Límites de enfoque de pulsos láser ultrarrápidos intensos en un gas a alta presión: camino hacia una nueva fuente espectroscópica, 2000, Optics Communications, 183: 479–484
- ^ A. Talebpour et al., Espectroscopia de los gases que interactúan con intensos pulsos de láser de femtosegundo, 2001, Física del láser, 11: 68-76
- ^ L. Wöstea, S. Freyb, J. Wolf, LIDAR-Monitoreo del aire con canales de plasma de femtosegundo, Avances en física atómica, molecular y óptica, 2006, 53: 413–441
- ^ Kamata, M .; Sumyoshi, T .; Tsujikaula, S. y Sekita, H. (2008). Método de mecanizado por láser, método de corte por láser y método para dividir la estructura con tablero multicapa, Solicitud PCT, WO / 2008/126742
- ^ "Creación de cables ópticos de la nada" , (e) Science News , 22 de julio de 2014
enlaces externos
- Los experimentos detallan cómo los potentes pulsos de láser ultracorto se propagan a través del aire
- Filamentación y propagación de pulsos láser intensos y ultracortos en el aire
[1]
- ^ Chin, SL; Wang, T. -J .; Marceau, C .; Wu, J .; Liu, JS; Kosareva, O .; Panov, N .; Chen, YP; Daigle, J. -F .; Yuan, S .; Azarm, A .; Liu, WW; Seideman, T .; Zeng, HP; Richardson, M .; Li, R .; Xu, ZZ (2012). "Avances en la filamentación láser intensa de femtosegundos en el aire" . Física láser . 22 : 1–53. Código bibliográfico : 2012LaPhy..22 .... 1C . doi : 10.1134 / S1054660X11190054 . S2CID 12993181 .