Un compresor de prisma es un dispositivo óptico que se utiliza para acortar la duración de un pulso láser ultracorto con chirrido positivo al dar a diferentes componentes de longitud de onda un retardo de tiempo diferente. Por lo general, consta de dos prismas y un espejo. La figura 1 muestra la construcción de dicho compresor. Aunque la dispersión del material del prisma hace que diferentes componentes de longitud de onda viajen a lo largo de diferentes trayectorias, el compresor está construido de tal manera que todos los componentes de longitud de onda salen del compresor en diferentes momentos, pero en la misma dirección. Si los diferentes componentes de longitud de onda de un láser Los pulsos ya estaban separados en el tiempo, el compresor de prisma puede hacer que se superpongan entre sí, provocando así un pulso más corto.
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Los compresores de prisma se utilizan típicamente para compensar la dispersión dentro de Ti: láser modelo de zafiro . Cada vez que el pulso del láser en el interior viaja a través de los componentes ópticos dentro de la cavidad del láser, se estira. Se puede diseñar un compresor de prisma dentro de la cavidad de manera que compense exactamente esta dispersión dentro de la cavidad. También se puede utilizar para compensar la dispersión de pulsos ultracortos fuera de las cavidades del láser.
La compresión de pulso prismático se introdujo por primera vez, utilizando un solo prisma, en 1983 por Dietel et al. [1] y Fork et al. Demostraron en 1984 un compresor de pulsos de cuatro prismas. [2] Desarrollos experimentales adicionales incluyen un compresor de pulsos de par de prismas [3] y un compresor de pulsos de seis prismas para láseres semiconductores. [4] La teoría de la dispersión de prismas múltiples , para la compresión de pulsos, fue introducida en 1982 por Duarte y Piper, [5] ampliada a segundas derivadas en 1987, [6] y ampliada a derivadas de fase de orden superior en 2009. [7]
En 2006 se introdujo un compresor adicional, que utiliza un prisma grande con reflectores laterales para permitir una disposición de múltiples pasadas en el prisma. [8]
Principio de funcionamiento
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Casi todos los materiales ópticos que son transparentes para la luz visible tienen una dispersión normal o positiva: el índice de refracción disminuye al aumentar la longitud de onda. Esto significa que las longitudes de onda más largas viajan más rápido a través de estos materiales. Lo mismo es cierto para los prismas en un compresor de prismas. Sin embargo, la dispersión positiva de los prismas se compensa con la distancia adicional que los componentes de longitud de onda más larga tienen que viajar a través del segundo prisma. Este es un equilibrio bastante delicado, ya que las longitudes de onda más cortas viajan una distancia mayor a través del aire. Sin embargo, con una cuidadosa elección de la geometría, es posible crear una dispersión negativa que pueda compensar la dispersión positiva de otros componentes ópticos. Esto se muestra en la Figura 3. Al mover el prisma P2 hacia arriba y hacia abajo, la dispersión del compresor puede ser tanto negativa alrededor del índice de refracción n = 1,6 (curva roja) como positiva (curva azul). El rango con una dispersión negativa es relativamente corto ya que el prisma P2 solo se puede mover hacia arriba una distancia corta antes de que el rayo de luz lo pierda por completo.
En principio, el ángulo α se puede variar para ajustar las propiedades de dispersión de un compresor de prisma. En la práctica, sin embargo, la geometría se elige de modo que el haz incidente y refractado tengan el mismo ángulo en la longitud de onda central del espectro a comprimir. Esta configuración se conoce como "ángulo de desviación mínima" y es más fácil de alinear que los ángulos arbitrarios.
El índice de refracción de materiales típicos como el vidrio BK7 cambia solo una pequeña cantidad (0.01 - 0.02) dentro de las pocas decenas de nanómetros que están cubiertos por un pulso ultracorto. Dentro de un tamaño práctico, un compresor de prisma solo puede compensar unos pocos cientos de μm de diferencias de longitud de trayectoria entre los componentes de longitud de onda. Sin embargo, si se utiliza un material de índice de refracción grande (como SF10 , SF11 , etc.), la distancia de compensación se puede ampliar al nivel de mm. Esta tecnología se ha utilizado con éxito en el interior de la cavidad del láser de femtosegundos para la compensación del cristal de Ti: zafiro y en el exterior para la compensación de la dispersión introducida por otros elementos. Sin embargo, la dispersión de alto orden será introducida por el propio compresor de prisma, así como por otros elementos ópticos. Puede corregirse con una medición cuidadosa del pulso ultracorto y compensar la distorsión de fase. MIIPS es una de las técnicas de modelado de pulsos que puede medir y compensar la dispersión de alto orden automáticamente. Como una versión confusa de la forma del pulso, el espejo del extremo a veces se inclina o incluso se deforma, aceptando que los rayos no viajan hacia atrás por el mismo camino o se vuelven divergentes.
Teoría de la dispersión
La dispersión angular para matrices prismáticas generalizadas, aplicable a la compresión de pulsos láser, se puede calcular exactamente utilizando la teoría de la dispersión de prismas múltiples . [5] [6] [7] En particular, la dispersión, su primera derivada y su segunda derivada están dadas por [5] [6] [7] [9]
dónde
Las cantidades angulares se definen en el artículo para la teoría de la dispersión de prismas múltiples y las derivadas superiores las da Duarte . [7] [9] [10]
Comparación con otros compresores de impulsos
El otro compresor de pulsos más común se basa en rejillas (consulte Amplificación de pulso con chirrido ), que pueden crear fácilmente una dispersión negativa mucho mayor que un compresor de prisma (centímetros en lugar de décimas de milímetros). Sin embargo, un compresor de rejilla tiene pérdidas de al menos el 30% debido a pérdidas de difracción y absorción de orden superior en el revestimiento metálico de las rejillas. Un compresor de prisma con un revestimiento antirreflejos adecuado puede tener una pérdida inferior al 2%, lo que lo convierte en una opción viable dentro de una cavidad láser . Además, un compresor de prisma es más económico que un compresor de rejilla.
Otra técnica de compresión de pulsos utiliza espejos chirridos , que son espejos dieléctricos que están diseñados de tal manera que el reflejo tiene una dispersión negativa. Los espejos chirridos son difíciles de fabricar; además, la cantidad de dispersión es bastante pequeña, lo que significa que el rayo láser debe reflejarse varias veces para lograr la misma cantidad de dispersión que con un compresor de un solo prisma. Esto significa que es difícil de sintonizar. Por otro lado, la dispersión de un compresor de espejo chirrido se puede fabricar para que tenga una curva de dispersión específica, mientras que un compresor de prisma ofrece mucha menos libertad. Los compresores Chirped-Mirror se utilizan en aplicaciones en las que se deben comprimir pulsos con un ancho de banda muy grande.
Ver también
- Amplificación de pulso chirriante
- Ti: láser de zafiro
- Modelocking
- Pulso ultracorto
- MIIPS , una técnica para calibrar y corregir la distorsión de alto orden del pulso láser de femtosegundos.
- Teoría de la dispersión de prismas múltiples
Referencias
- ^ W. Dietel, JJ Fontaine y JC Diels, "Compresión de pulsos intracavitarios con vidrio: un nuevo método para generar pulsos de menos de 60 fs", Opt. Letón. 8 , 4 - 6 (1983).
- ^ RL Fork, OE Martinez y JP Gordon, "Dispersión negativa mediante pares de prismas", Opt. Letón. 9 , 150 - 152 (1984).
- ^ JC Diels, W. Dietel, JJ Fontaine, W. Rudolph y B. Wilhelmi, Análisis de un láser de anillo de modo bloqueado: soluciones de pulso solitario chirriado, J. Opt. Soc. Soy. B 2 , 680 - 686 (1985).
- ^ LY Pang, JG Fujimoto y ES Kintzer, Generación de pulsos ultracortos a partir de matrices de diodos de alta potencia mediante el uso de no linealidades ópticas intracavitarias, Opc. Letón. 17 , 1599-1601 (1992).
- ^ a b c F. J. Duarte y JA Piper, "Teoría de la dispersión del expansor de haz de prismas múltiples para láseres de colorante pulsado", Opc. Comun. 43 , 303 - 307 (1982).
- ^ a b c F. J. Duarte, Teoría generalizada de la dispersión de prismas múltiples para la compresión de pulsos en láseres de colorante ultrarrápidos, Opt. Electrón cuántico. 19 , 223 - 229 (1987).
- ^ a b c d F. J. Duarte, Teoría generalizada de la dispersión de prismas múltiples para la compresión del pulso láser: derivadas de fase de orden superior, Appl. Phys. B 96 , 809 - 814 (2009).
- ^ S. Akturk, X. Gu, M. Kimmel y R. Trebino, "Compresor de pulso ultracorto de prisma único extremadamente simple" Opc . Exp. 14 , 10101-10108 (2006), PDF .
- ^ a b F. J. Duarte, Óptica láser sintonizable: aplicaciones a la óptica y la óptica cuántica, Prog. Electrón cuántico. 37 , 326 - 347 (2013).
- ^ FJ Duarte, Tunable Laser Optics , 2nd Edition (CRC, Nueva York, 2015) .