El escaneo de fase de interferencia intrapulso multifotón ( MIIPS ) es un método utilizado en la tecnología láser ultracorto que mide simultáneamente (caracterización de fase) y compensa (corrección de fase) pulsos de láser de femtosegundos utilizando un modelador de pulso adaptativo . Cuando un pulso láser ultracorto alcanza una duración de menos de unos pocos cientos de femtosegundos, es fundamental caracterizar su duración, su curva de intensidad temporal o su campo eléctrico en función del tiempo. Los fotodetectores clásicos que miden la intensidad de la luz siguen siendo demasiado lentos para permitir una medición directa, incluso con los fotodiodos más rápidos o las cámaras de rayos .
Se han desarrollado otros medios basados en efectos ópticos no lineales cuasi instantáneos como autocorrelación , FROG , SPIDER , etc. Sin embargo, estos solo pueden medir las características del pulso pero no corregir los defectos para que el pulso sea lo más corto posible. Por ejemplo, el pulso podría tener un chirrido lineal o presentar una dispersión de retardo de grupo de orden superior (GDD) de modo que su duración sea mayor que la de un pulso de ancho de banda limitado que tiene el mismo espectro de intensidad. Por lo tanto, es muy deseable tener un método que no solo pueda caracterizar el pulso, sino que también corrija el pulso a formas específicas para diversas aplicaciones en las que se soliciten características de pulso repetibles. MIIPS no solo puede medir el pulso sino también corregir la dispersión de alto orden , por lo que es altamente preferible para aplicaciones donde el campo electromagnético repetible es importante, como para generar pulsos ultracortos que están limitados por transformación o poseen características de fase específicas.
El método MIIPS también se basa en la generación de segundo armónico (SHG) en un cristal no lineal; sin embargo, en lugar de escanear temporalmente una réplica del pulso como en la autocorrelación, se aplica un GDD controlable y variable al pulso a través de un modelador de pulso. La intensidad es máxima cuando el pulso saliente no chirría, o cuando el GDD aplicado compensa exactamente el GDD del pulso entrante. Por tanto, el pulso GDD se mide y se compensa. Al resolver espectralmente la señal SHG, GDD se puede medir en función de la frecuencia, de modo que se puede medir la fase espectral y se puede compensar la dispersión en todos los órdenes.
Teoría
Un dispositivo basado en MIIPS consta de dos componentes básicos controlados por una computadora: un modelador de pulso (generalmente un modulador de luz espacial basado en cristal líquido - SLM) y un espectrómetro. El modelador de pulsos permite la manipulación de la fase espectral y / o amplitud de los pulsos ultracortos. El espectrómetro registra el espectro de un proceso óptico no lineal, como la generación de segundo armónico producido por el pulso láser. El proceso MIIPS es análogo al puente de Wheatstone en electrónica. Se utiliza una función de fase espectral bien conocida (calibrada) para medir las distorsiones de fase espectral desconocidas de los pulsos láser ultracortos. Normalmente, la función superpuesta conocida es una función sinusoidal periódica que se escanea a lo largo del ancho de banda del pulso.
MIIPS es similar a FROG en que se recopila un trazo de frecuencia para la caracterización del pulso ultracorto. En la compuerta óptica resuelta en frecuencia, se recopila un trazo de FROG escaneando el pulso ultracorto a lo largo del eje temporal y detectando el espectro del proceso no lineal. Puede expresarse como
En MIIPS, en lugar de escanear en el dominio temporal, se aplica una serie de escaneos de fase en el dominio de fase del pulso. La traza del escaneo MIIPS consiste en los espectros del segundo armónico de cada escaneo de fase. La señal de MIIPS se puede escribir como
El escaneo de fase en MIIPS se realiza con la introducción de una función de referencia conocida, , por el modelador de pulso para cancelar localmente las distorsiones por la fase espectral desconocida, , del pulso. La suma de la fase desconocida y la fase de referencia viene dada por. Debido a que el espectro duplicado de frecuencia del pulso depende de, es posible recuperar con precisión lo desconocido .
El procedimiento de modulación de fase del proceso físico es generalmente una función continua. Por lo tanto, la señal SHG se puede expandir con una expansión de Taylor alrededor:
Y
Según esta ecuación, la señal SHG alcanza el máximo cuando es cero. Esto es equivalente a. A través del escaneo de, la puede decidirse.
El espectro de frecuencia duplicado registrado para cada barrido completo de la fase de referencia da como resultado dos réplicas de la traza MIIPS (consulte la Figura 1, se muestran cuatro réplicas). A partir de estos datos, un gráfico 2D para SHG () se construye donde . El segundo espectro armónico del pulso resultante tiene una amplitud máxima en la frecuencia donde se ha compensado la segunda derivada del pulso. Las líneas que describense utilizan para obtener analíticamente la segunda derivada de la fase desconocida. Después de la doble integración se conocen las distorsiones de fase. Luego, el sistema introduce una fase de corrección para cancelar las distorsiones y lograr pulsos más cortos. La precisión absoluta de MIIPS mejora a medida que disminuyen las distorsiones de fase, por lo tanto, se aplica un procedimiento iterativo de medición y compensación para reducir las distorsiones de fase por debajo de 0,1 radianes para todas las frecuencias dentro del ancho de banda del láser.
Cuando se han eliminado todas las distorsiones de fase, los pulsos son los más cortos que pueden ser y se consideran pulsos limitados por ancho de banda | limitados por transformación (TL). La traza MIIPS correspondiente a pulsos TL muestra líneas rectas paralelas separadas por. Una vez que se han eliminado las distorsiones de fase espectral, el modelador se puede utilizar para introducir fases y amplitudes calibradas para controlar los procesos inducidos por láser.
La tecnología MIIPS se ha aplicado con éxito en la excitación selectiva de imágenes multifotónicas y en el estudio de interacción luz-masa de femtosegundos.
Configuración experimental
El rayo láser expandido llega primero a la rejilla difractiva (G), la reflexión de primer orden se desvía al espejo (M) y luego al espejo curvo (CM). El espejo curvo refleja el láser al modulador espacial de luz (SLM). Las fases se aplican a través del SLM a cada componente de la frecuencia. A continuación, el láser se retrorefleja. Al usar un medio no lineal, los espectros no lineales (SHG, THG, etc.) frente al escaneo de fase se pueden registrar como un trazo MIIPS para la caracterización del pulso. Una vez que se caracteriza el pulso, se puede aplicar una fase compensatoria al pulso ultracorto a través del SLM.
Otras técnicas de medición de pulso ultracorto
Referencias
- M. Dantus, VV Lozovoy e I. Pastirk, "Medición y reparación: el puente de Wheatstone de femtosegundos". Revista OE 9 (2003).
- VV Lozovoy, I. Pastirk y M. Dantus, "Interferencia intrapulso multifotónica 4: Caracterización y compensación de la fase espectral de pulsos láser ultracortos". Optics Letters 29, 775-777 (2004).
- B. Xu, JM Gunn, JM Dela Cruz, VV Lozovoy, M. Dantus, "Investigación cuantitativa del método MIIPS para la medición de fase y compensación de pulsos de láser de femtosegundo", J. Optical Society of America B 23, 750-759 (2006 ).