El bloqueo de modo de lente Kerr ( KLM ) es un método de bloqueo de modo láser a través del efecto óptico Kerr no lineal . Este método permite la generación de pulsos de luz con una duración tan corta como unos pocos femtosegundos .
El efecto óptico Kerr es un proceso que resulta de la respuesta no lineal de un medio óptico al campo eléctrico de una onda electromagnética . El índice de refracción del medio depende de la intensidad del campo. [1]
Debido a la distribución de densidad de potencia no uniforme en un haz gaussiano (como se encuentra en los resonadores láser), el índice de refracción cambia a través del perfil del haz; el índice de refracción experimentado por el haz es mayor en el centro del haz que en el borde. Así, una varilla de un medio Kerr activo funciona como lente para luz de alta intensidad. A esto se le llama autoenfoque y en casos extremos conduce a la destrucción material. En la cavidad del láser, las ráfagas cortas de luz se enfocarán de manera diferente a las ondas continuas.
Para favorecer el modo pulsado sobre el de onda continua, la cavidad podría volverse inestable para el funcionamiento de onda continua , pero más a menudo una baja estabilidad es un subproducto de un diseño de cavidad que pone énfasis en los efectos de apertura. Los diseños más antiguos usaban una apertura dura, que simplemente corta, mientras que los diseños modernos usan una apertura suave, lo que significa la superposición entre la región bombeada del medio de ganancia y el pulso. Si bien el efecto de una lente sobre un rayo láser libre es bastante obvio, dentro de una cavidad todo el rayo intenta adaptarse a este cambio. La cavidad estándar con espejos planos y una lente térmica en el cristal láser tiene el ancho de haz más pequeño en los espejos de los extremos. Con la lente Kerr adicional, el ancho del espejo final se vuelve aún más pequeño. Por lo tanto, los espejos de extremo pequeños (apertura dura) favorecen los pulsos. En Ti: osciladores de zafiro, los telescopios se insertan alrededor del cristal para aumentar la intensidad.
Para una apertura suave, considere un cristal láser infinito con lente térmica. Un rayo láser se guía como en una fibra de vidrio. Con una lente Kerr adicional, el ancho del haz se reduce. En un láser real, el cristal es finito. La cavidad en ambos lados presenta un espejo cóncavo y luego un camino relativamente largo hacia un espejo plano. La luz de onda continua sale de la cara del extremo del cristal con un ancho de haz mayor y una ligera divergencia. Ilumina un área más pequeña en el espejo cóncavo, lo que conduce a un ancho de haz pequeño en el camino hacia el espejo plano. Por tanto, la difracción es más fuerte. Debido a la divergencia, la luz proviene efectivamente de un punto más alejado y conduce a una mayor convergencia después del espejo cóncavo. Esta convergencia se equilibra con la difracción. La luz pulsada sale por la cara del extremo con un haz de luz más pequeño y sin divergencia. Por lo tanto, ilumina un área más grande en el espejo cóncavo y luego es menos convergente. De modo que tanto las ondas continuas como los frentes de luz pulsada se reflejan en sí mismos. Una cavidad cercana a una confocal significa estar cerca de la inestabilidad, lo que significa que el diámetro del haz es sensible a los cambios de la cavidad. Esto enfatiza la modulación. Con una cavidad ligeramente asimétrica que se prolonga, la cavidad enfatiza la difracción e incluso la hace inestable para el funcionamiento de onda continua , mientras se mantiene estable para el funcionamiento por pulsos .
La longitud del medio utilizado para KLM está limitada por la dispersión de la velocidad del grupo . KLM se utiliza en el control de desplazamiento de la envolvente del portador .
Inicio de un láser con modelo de lente Kerr
El inicio del modelado de lentes de Kerr depende de la fuerza del efecto no lineal involucrado. Si el campo láser se acumula en una cavidad, el láser tiene que superar la región de funcionamiento de onda continua , que a menudo se ve favorecida por el mecanismo de bombeo. Esto se puede lograr mediante una lente Kerr muy fuerte que sea lo suficientemente fuerte como para bloquear debido a pequeños cambios en la intensidad del campo láser (acumulación de campo láser o fluctuaciones estocásticas).
Modelocking también se puede iniciar por cambiar el enfoque óptimo de la operación de onda continua para el funcionamiento por impulsos mientras se cambia la densidad de potencia por patear el espejo extremo de la cavidad del resonador (aunque un piezo montado, oscilante síncrono extremo espejo sería más 'llave '). Otros principios involucran diferentes efectos no lineales como absorbentes saturables y reflectores de Bragg saturables, que inducen pulsos lo suficientemente cortos como para iniciar el proceso de lente de Kerr.
Modelocking - evolución del pulso
Los cambios de intensidad con longitudes de nanosegundos se amplifican mediante el proceso de lente de Kerr y la longitud del pulso se reduce aún más para lograr mayores intensidades de campo en el centro del pulso. Este proceso de afilado solo está limitado por el ancho de banda alcanzable con el material láser y los espejos de cavidad, así como por la dispersión de la cavidad. El pulso más corto que se puede lograr con un espectro dado se denomina pulso de ancho de banda limitado .
La tecnología Chirped Mirror permite compensar el desajuste de tiempo de diferentes longitudes de onda dentro de la cavidad debido a la dispersión del material mientras mantiene la estabilidad alta y las pérdidas bajas.
El efecto Kerr conduce a la modulación de la lente Kerr y de la fase automática al mismo tiempo. En una primera aproximación es posible considerarlos como efectos independientes.
Aplicaciones
Dado que el modelado de lentes Kerr es un efecto que reacciona directamente sobre el campo eléctrico, el tiempo de respuesta es lo suficientemente rápido como para producir pulsos de luz en el infrarrojo cercano y visible con longitudes de menos de 5 femtosegundos . Debido a la alta intensidad del campo eléctrico, los rayos láser ultracortos enfocados pueden superar el umbral de 10 14 W cm -2 , que supera la intensidad de campo del enlace electrón-ión en los átomos.
Estos pulsos cortos abren el nuevo campo de la óptica ultrarrápida , que es un campo de la óptica no lineal que da acceso a una clase completamente nueva de fenómenos como la medición de los movimientos de electrones en un átomo (fenómenos de attosegundos), la generación coherente de luz de banda ancha ( láseres ultraanchos ) y por lo tanto, da lugar a muchas aplicaciones nuevas en detección óptica (por ejemplo, radar láser coherente, tomografía de coherencia óptica de ultra alta resolución ), procesamiento de materiales y otros campos como la metrología ( mediciones de frecuencia y tiempo extremadamente exactas).
Referencias y notas
- ↑ Vaziri, MRR (15 de diciembre de 2015). "Comente sobre" Mediciones de refracción no lineal de materiales utilizando la deflectometría muaré " ". Comunicaciones ópticas . 357 : 200-201. Código Bibliográfico : 2015OptCo.357..200R . doi : 10.1016 / j.optcom.2014.09.017 .
- DE Spence, PN Kean y W. Sibbett, Opt. Letón. 16, 42 (1991).
- M. Piche, Opt. Comun. 86, 156 (1991).
- B. Proctor, E. Westwig y F. Wise, opc. Letón. 18, 1654 (1993).
- V. Magni, G. Cerullo y S. De Silvestri, Opt. Comun. 101, 365 (1993).