En óptica , un peine de frecuencia es una fuente de láser cuyo espectro consta de una serie de líneas de frecuencia discretas igualmente espaciadas. Los peines de frecuencia se pueden generar mediante varios mecanismos, incluida la modulación periódica (en amplitud y / o fase) de un láser de onda continua , mezcla de cuatro ondas en medios no lineales o estabilización del tren de pulsos generado por un láser de modo bloqueado . Se ha dedicado mucho trabajo a este último mecanismo, que se desarrolló a principios del siglo XXI y, en última instancia, llevó a que la mitad del Premio Nobel de Física fuera compartida por John L.Hall y Theodor W. Hänsch.en 2005. [1] [2] [3]
La representación en el dominio de la frecuencia de un peine de frecuencia perfecto es una serie de funciones delta espaciadas según
dónde es un entero, es el espaciado de los dientes del peine (igual a la tasa de repetición del láser de modo bloqueado o, alternativamente, la frecuencia de modulación), y es la frecuencia de desplazamiento de la portadora, que es menor que .
Los peines que abarcan una octava en frecuencia (es decir, un factor de dos) se pueden usar para medir directamente (y corregir las desviaciones). Por lo tanto, los peines que abarcan una octava se pueden utilizar para dirigir un espejo piezoeléctrico dentro de un circuito de retroalimentación de corrección de fase de la envolvente de la portadora . Cualquier mecanismo por el cual los dos grados de libertad de los peines ( y ) se estabilizan genera un peine que es útil para mapear frecuencias ópticas en la radiofrecuencia para la medición directa de la frecuencia óptica.
Generacion
Usando un láser de modo bloqueado
La forma más popular de generar un peine de frecuencia es con un láser de modo bloqueado . Dichos láseres producen una serie de pulsos ópticos separados en el tiempo por el tiempo de ida y vuelta de la cavidad del láser. El espectro de tal tren de pulsos se aproxima a una serie de funciones delta de Dirac separadas por la tasa de repetición (la inversa del tiempo de ida y vuelta) del láser. Esta serie de líneas espectrales nítidas se denomina peine de frecuencia o peine de Dirac de frecuencia .
Los láseres más comunes utilizados para la generación de peines de frecuencia son láseres de estado sólido Ti: zafiro o láseres de fibra Er: [4] con tasas de repetición típicamente entre 100 MHz y 1 GHz [5] o incluso hasta 10 GHz. [6]
Usando mezcla de cuatro ondas
La mezcla de cuatro ondas es un proceso en el que la luz intensa en tres frecuencias interactuar para producir luz en una cuarta frecuencia . Si las tres frecuencias forman parte de un peine de frecuencias perfectamente espaciado, entonces se requiere matemáticamente que la cuarta frecuencia también forme parte del mismo peine.
Comenzando con luz intensa en dos o más frecuencias igualmente espaciadas, este proceso puede generar luz en frecuencias cada vez más diferentes igualmente espaciadas. Por ejemplo, si hay muchos fotones en dos frecuencias, la mezcla de cuatro ondas podría generar luz en la nueva frecuencia . Esta nueva frecuencia se volvería gradualmente más intensa y, posteriormente, la luz puede caer en cascada a más y más frecuencias nuevas en el mismo peine.
Por lo tanto, una forma conceptualmente simple de hacer un peine de frecuencia óptica es tomar dos láseres de alta potencia de frecuencia ligeramente diferente y hacerlos brillar simultáneamente a través de una fibra de cristal fotónico . Esto crea un peine de frecuencia mediante la mezcla de cuatro ondas como se describe anteriormente. [7] [8]
En microrresonadores
Una variación alternativa de los peines de frecuencia basados en la mezcla de cuatro ondas se conoce como peine de frecuencia de Kerr . Aquí, un solo láser se acopla a un microrresonador (como un disco de vidrio microscópico que tiene modos de galería susurrante ). Este tipo de estructura tiene naturalmente una serie de modos resonantes con frecuencias aproximadamente igualmente espaciadas (similar a un interferómetro de Fabry-Pérot ). Desafortunadamente, los modos resonantes no están exactamente igualmente espaciados debido a la dispersión . Sin embargo, el efecto de mezcla de cuatro ondas anterior puede crear y estabilizar un peine de frecuencia perfecto en tal estructura. [9] Básicamente, el sistema genera un peine perfecto que se superpone a los modos resonantes tanto como sea posible. De hecho, los efectos no lineales pueden cambiar los modos de resonancia para mejorar aún más la superposición con el peine perfecto. (Las frecuencias del modo resonante dependen del índice de refracción, que se ve alterado por el efecto óptico de Kerr ).
En el dominio del tiempo, mientras que los láseres de modo bloqueado casi siempre emiten una serie de pulsos cortos, los peines de frecuencia de Kerr generalmente no lo hacen. [10] Sin embargo, un sub-tipo especial de Kerr peine de frecuencia, en el que una "cavidad solitones formas" en el microrresonador, hace emitir una serie de impulsos. [11]
Usando modulación electroóptica de un láser de onda continua
Se puede generar un peine de frecuencia óptica modulando la amplitud y / o fase de un láser de onda continua con un modulador externo impulsado por una fuente de radiofrecuencia. [12] De esta manera, el peine de frecuencia se centra alrededor de la frecuencia óptica proporcionada por el láser de onda continua y la frecuencia de modulación o tasa de repetición viene dada por la fuente de radiofrecuencia externa. La ventaja de este método es que puede alcanzar tasas de repetición mucho más altas (> 10 GHz) que con los láseres de modo bloqueado y los dos grados de libertad del peine se pueden configurar de forma independiente. [13] El número de líneas es menor que con un láser de modo bloqueado (típicamente unas pocas decenas), pero el ancho de banda se puede ampliar significativamente con fibras no lineales. [14] Este tipo de peine de frecuencia óptica se suele llamar peine de frecuencia electroóptica. [15] Los primeros esquemas usaban un modulador de fase dentro de una cavidad de Fabry-Perot integrada, [16] pero con los avances en moduladores electro-ópticos, son posibles nuevas configuraciones.
Peines de baja frecuencia que utilizan electrónica
Un dispositivo puramente electrónico que genera una serie de pulsos, también genera un peine de frecuencia. Estos se producen para osciloscopios de muestreo electrónico , pero también se utilizan para la comparación de frecuencias de microondas, ya que alcanzan hasta 1 THz. Dado que incluyen 0 Hz, no necesitan los trucos que componen el resto de este artículo.
Ampliación del peine de frecuencia a una octava
Para muchas aplicaciones, el peine debe ensancharse al menos a una octava : [ cita requerida ] es decir, la frecuencia más alta en el espectro debe ser al menos el doble de la frecuencia más baja. Se puede utilizar una de tres técnicas:
- generación de supercontinuo mediante una fuerte modulación de fase propia en fibra de cristal fotónico no lineal o guía de ondas integrada
- a Ti: láser de zafiro que utiliza modulación de fase automática intracavitaria
- el segundo armónico se puede generar en un cristal largo de modo que por generación consecutiva de suma de frecuencias y generación de diferencia de frecuencia, el espectro del primer y segundo armónico se ensancha hasta que se superponen.
Estos procesos generan nuevas frecuencias en el mismo peine por razones similares a las discutidas anteriormente .
Medición de desplazamiento de portadora-envolvente
A la derecha se puede ver un desplazamiento creciente entre la fase óptica y el máximo de la envolvente de onda de un pulso óptico. Cada línea se desplaza de un armónico de la tasa de repetición por la frecuencia de desplazamiento de la envolvente de la portadora. La frecuencia de desplazamiento de la envolvente de la portadora es la velocidad a la que el pico de la frecuencia de la portadora se desliza desde el pico de la envolvente de pulso en una base de pulso a pulso.
La medición de la frecuencia de desplazamiento de la envolvente de la portadora se realiza generalmente con una técnica de autorreferencia, en la que la fase de una parte del espectro se compara con su armónico. En 1999 se propusieron diferentes enfoques posibles para el control de fase de desplazamiento de envolvente de portadora. [17] Los dos enfoques más simples, que requieren sólo un proceso óptico no lineal, se describen a continuación.
En la técnica " f - 2 f ", la luz en el lado de menor energía del espectro ampliado se duplica utilizando la generación de segundo armónico (SHG) en un cristal no lineal, y se genera un latido heterodino entre eso y la luz en la misma longitud de onda. en el lado de la energía superior del espectro. Esta señal de batido, detectable con un fotodiodo , [18] incluye un componente de frecuencia de diferencia, que es la frecuencia de compensación de la envolvente de la portadora.
Alternativamente, se puede utilizar la generación de frecuencia diferencial (DFG). A partir de la luz de los extremos opuestos del espectro ampliado, se genera la diferencia de frecuencia en un cristal no lineal y se mide un latido heterodino entre este producto de mezcla y la luz en la misma longitud de onda del espectro original. Esta frecuencia de batido, detectable con un fotodiodo , es la frecuencia de compensación de la envolvente de la portadora.
Debido a que la fase se mide directamente , y no la frecuencia, es posible establecer la frecuencia a cero y además bloquear la fase, pero debido a que la intensidad del láser y este detector no es muy estable, y porque todo el espectro late en fase. , [19] uno tiene que bloquear la fase en una fracción de la tasa de repetición.
Control de desplazamiento de portadora-envolvente
En ausencia de estabilización activa, la tasa de repetición y la frecuencia de desplazamiento de la envolvente de la portadora podrían variar libremente. Varían con los cambios en la longitud de la cavidad, el índice de refracción de la óptica del láser y los efectos no lineales como el efecto Kerr . La tasa de repetición se puede estabilizar mediante un transductor piezoeléctrico , que mueve un espejo para cambiar la longitud de la cavidad.
En los láseres Ti: zafiro que utilizan prismas para el control de la dispersión, la frecuencia de desplazamiento de la envolvente de la portadora se puede controlar inclinando el espejo reflector alto al final del par de prismas. Esto se puede hacer usando transductores piezoeléctricos.
En láseres de anillo Ti: zafiro de alta tasa de repetición, que a menudo utilizan espejos de chirrido doble para controlar la dispersión, la modulación de la potencia de la bomba mediante un modulador acústico-óptico se utiliza a menudo para controlar la frecuencia de compensación. El deslizamiento de fase depende en gran medida del efecto Kerr y, al cambiar la potencia de la bomba, se cambia la intensidad máxima del pulso láser y, por tanto, el tamaño del desplazamiento de fase de Kerr. Este cambio es mucho menor que 6 rad, por lo que se necesita un dispositivo adicional para un ajuste aproximado. Para este propósito, se pueden usar un par de cuñas, una que se mueva hacia adentro o hacia afuera del rayo láser dentro de la cavidad.
El avance que condujo a un peine de frecuencia práctico fue el desarrollo de tecnología para estabilizar la frecuencia de desplazamiento de la envolvente de la portadora.
Una alternativa para estabilizar la frecuencia de desplazamiento de la envolvente de la portadora es cancelarla completamente mediante el uso de generación de frecuencia diferencial (DFG). Si la diferencia de frecuencia de luz de los extremos opuestos de un espectro ensanchado se genera en un cristal no lineal, el peine de frecuencia resultante está libre de desplazamiento de envolvente de portadora, ya que las dos partes espectrales que contribuyen al DFG comparten la misma frecuencia de desplazamiento de envolvente de portadora (CEO frecuencia). Esto se propuso por primera vez en 1999 [17] y se demostró en 2011 utilizando un peine de frecuencia de fibra de erbio en la longitud de onda de las telecomunicaciones. [20] Este enfoque simple tiene la ventaja de que no se necesita un circuito de retroalimentación electrónica como en las técnicas de estabilización convencionales. Promete ser más robusto y estable frente a las perturbaciones ambientales. [21] [22]
Aplicaciones
Un peine de frecuencia permite un enlace directo de los estándares de radiofrecuencia a las frecuencias ópticas. Los estándares de frecuencia actuales, como los relojes atómicos, operan en la región de microondas del espectro, y el peine de frecuencia lleva la precisión de dichos relojes a la parte óptica del espectro electromagnético. Un simple circuito de retroalimentación electrónica puede bloquear la tasa de repetición en un estándar de frecuencia.
Hay dos aplicaciones distintas de esta técnica. Uno es el reloj óptico , donde una frecuencia óptica se superpone con un solo diente del peine en un fotodiodo, y una radiofrecuencia se compara con la señal de latido, la tasa de repetición y la frecuencia CEO (compensación de la envolvente de la portadora). Las aplicaciones de la técnica de peine de frecuencia incluyen metrología óptica , generación de cadenas de frecuencia, relojes atómicos ópticos , espectroscopia de alta precisión y tecnología GPS más precisa . [24]
El otro está haciendo experimentos con pulsos de pocos ciclos , como ionización por encima del umbral , pulsos de attosegundos , ópticas no lineales altamente eficientes o generación de armónicos altos . Estos pueden ser pulsos únicos, por lo que no existe un peine y, por lo tanto, no es posible definir una frecuencia de compensación de la envolvente de la portadora, sino que la fase de compensación de la envolvente de la portadora es importante. Se puede agregar un segundo fotodiodo a la configuración para recopilar la fase y la amplitud en un solo disparo, o se puede usar la generación de frecuencia de diferencia para bloquear incluso el desplazamiento en un solo disparo, aunque con baja eficiencia energética.
Sin un peine real, se puede ver la fase frente a la frecuencia. Sin un desplazamiento de envolvente de portadora, todas las frecuencias son cosenos. Esto significa que todas las frecuencias tienen fase cero. El origen del tiempo es arbitrario. Si llega un pulso en momentos posteriores, la fase aumenta linealmente con la frecuencia, pero aún así, la fase de frecuencia cero es cero. Esta fase a frecuencia cero es el desplazamiento de la envolvente de la portadora. El segundo armónico no solo tiene el doble de frecuencia, sino también el doble de fase. Por lo tanto, para un pulso con desplazamiento cero, el segundo armónico de la cola de baja frecuencia está en fase con el fundamental de la cola de alta frecuencia y, de lo contrario, no lo está. La interferometría de fase espectral para la reconstrucción directa del campo eléctrico (SPIDER) mide cómo aumenta la fase con la frecuencia, pero no puede determinar el desplazamiento, por lo que el nombre "reconstrucción del campo eléctrico" es un poco engañoso.
En los últimos años, el peine de frecuencia ha despertado interés para las aplicaciones de astro-peine , extendiendo el uso de la técnica como una herramienta de observación espectrográfica en astronomía .
Hay otras aplicaciones que no necesitan bloquear la frecuencia de desplazamiento de la envolvente de la portadora a una señal de radiofrecuencia. [25] Estos incluyen, entre otros, comunicaciones ópticas, [26] la síntesis de formas de onda ópticas arbitrarias, [27] espectroscopia (especialmente espectroscopia de doble peine) [28] o fotónica de radiofrecuencia. [13]
Historia
Theodor W. Hänsch y John L. Hall compartieron la mitad del Premio Nobel de Física 2005 por sus contribuciones al desarrollo de la espectroscopia de precisión basada en láser, incluida la técnica de peine de frecuencia óptica. La otra mitad del premio fue otorgada a Roy Glauber .
También en 2005, la técnica de peine de femtosegundos se extendió al rango ultravioleta extremo, lo que permitió la metrología de frecuencia en esa región del espectro. [29] [30] [31] [32]
Ver también
- Reloj atómico
- Trampa magneto-óptica
- Astro-peine
Referencias
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Otras lecturas
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- Premio Nobel de Física (2005) Comunicado de prensa
enlaces externos
- Control de attosegundos de formas de onda ópticas
- Peine láser de femtosegundo
- Peine de frecuencia óptica para metrología dimensional, espectroscopía atómica y molecular y mantenimiento de tiempo preciso
- Gobernantes de la luz: uso de láseres para medir la distancia y el tiempo por Steven Cundiff en Scientific American
- Peine de frecuencia sintonizable electrónicamente en chip, artículo de Leah Burrows | 18 de marzo de 2019