Pulso ultracorto

Pulso láser con una duración de un picosegundo (10^-12 s) o menos

En óptica , un pulso ultracorto , también conocido como evento ultrarrápido , es un pulso electromagnético cuya duración temporal es del orden de un picosegundo (10-12 ^segundos ) o menos. Estos pulsos tienen un espectro óptico de banda ancha y pueden crearse mediante osciladores de modo bloqueado . La amplificación de pulsos ultracortos casi siempre requiere la técnica de amplificación de pulso chirriado , para evitar daños al medio de ganancia del amplificador.

Se caracterizan por una alta intensidad máxima (o más correctamente, irradiancia ) que generalmente conduce a interacciones no lineales en diversos materiales, incluido el aire. Estos procesos se estudian en el campo de la óptica no lineal .

En la literatura especializada, "ultracorto" se refiere al rango de femtosegundos (fs) y picosegundos (ps), aunque estos pulsos ya no ostentan el récord de los pulsos más cortos generados artificialmente. De hecho, se han informado pulsos de rayos X con duraciones en la escala de tiempo de attosegundos .

El Premio Nobel de Química de 1999 fue otorgado a Ahmed H. Zewail , por el uso de pulsos ultracortos para observar reacciones químicas en las escalas de tiempo en las que ocurren, ^[1] abriendo el campo de la femtoquímica . También se otorgó otro premio Nobel, el Premio Nobel de Física 2023, por los pulsos ultracortos. Este premio fue otorgado a Pierre Agostini , Ferenc Krausz y Anne L'Huillier por el desarrollo de pulsos de attosegundos y su capacidad para investigar la dinámica electrónica. ^[2]

Definición

Un pulso de luz ultracorto con chirrido positivo en el dominio del tiempo.

No existe una definición estándar de pulso ultracorto. Normalmente el atributo "ultracorto" se aplica a pulsos con una duración de unas pocas decenas de femtosegundos, pero en un sentido más amplio, cualquier pulso que dure menos de unos pocos picosegundos puede considerarse ultracorto. La distinción entre "ultracorto" y "ultrarrápido" es necesaria ya que la velocidad a la que se propaga el pulso es función del índice de refracción del medio a través del cual viaja, mientras que "ultracorto" se refiere al ancho temporal del paquete de ondas del pulso . ^[3]

Un ejemplo común es un pulso gaussiano chirriado, una onda cuya amplitud de campo sigue una envolvente gaussiana y cuya fase instantánea tiene un barrido de frecuencia .

Fondo

El campo eléctrico real correspondiente a un pulso ultracorto oscila a una frecuencia angular ω ₀ correspondiente a la longitud de onda central del pulso. Para facilitar los cálculos, se define un campo complejo E ( t ). Formalmente, se define como la señal analítica correspondiente al campo real.

La frecuencia angular central ω ₀ generalmente se escribe explícitamente en el campo complejo, que puede separarse como una función de intensidad temporal I ( t ) y una función de fase temporal ψ ( t ):

${\displaystyle E(t)={\sqrt {I(t)}}e^{i\omega _{0}t}e^{i\psi (t)}}$

La expresión del campo eléctrico complejo en el dominio de la frecuencia se obtiene a partir de la transformada de Fourier de E ( t ):

${\displaystyle E(\omega )={\mathcal {F}}(E(t))}$

Debido a la presencia del término, E ( ω ) se centra alrededor de ω ₀ , y es una práctica común referirse a E ( ω - ω ₀ ) escribiendo solo E ( ω ), lo cual haremos en el resto de Este artículo. ${\displaystyle e^{i\omega _{0}t}}$

Al igual que en el dominio del tiempo, en el dominio de la frecuencia se pueden definir una función de intensidad y de fase:

${\displaystyle E(\omega )={\sqrt {S(\omega )}}e^{i\phi (\omega )}}$

La cantidad es la densidad espectral de potencia (o simplemente, el espectro ) del pulso, y es la densidad espectral de fase (o simplemente fase espectral ). Ejemplos de funciones de fase espectral incluyen el caso donde es una constante, en cuyo caso el pulso se llama pulso de ancho de banda limitado , o donde es una función cuadrática, en cuyo caso el pulso se llama pulso chirriado debido a la presencia de un instante. barrido de frecuencia. Este chirrido puede adquirirse cuando un pulso se propaga a través de materiales (como el vidrio) y se debe a su dispersión . Resulta en un ensanchamiento temporal del pulso. ${\displaystyle S(\omega )}$ ${\displaystyle \phi (\omega )}$ ${\displaystyle \phi (\omega )}$ ${\displaystyle \phi (\omega )}$

Las funciones de intensidad (temporal y espectral ) determinan la duración del tiempo y el ancho de banda espectral del pulso. Como lo establece el principio de incertidumbre , su producto (a veces llamado producto tiempo-ancho de banda) tiene un límite inferior. Este valor mínimo depende de la definición utilizada para la duración y de la forma del pulso. Para un espectro dado, el producto mínimo de tiempo-ancho de banda, y por lo tanto el pulso más corto, se obtiene mediante un pulso limitado por transformada, es decir, para una fase espectral constante . Por otro lado, valores altos del producto tiempo-ancho de banda indican un pulso más complejo. ${\displaystyle I(t)}$ ${\displaystyle S(\omega )}$ ${\displaystyle \phi (\omega )}$

Control de forma de pulso

Aunque los dispositivos ópticos que también se utilizan para luz continua, como expansores de haz y filtros espaciales, pueden usarse para pulsos ultracortos, se han diseñado varios dispositivos ópticos específicamente para pulsos ultracortos. Uno de ellos es el compresor de pulsos , ^[4] un dispositivo que puede usarse para controlar la fase espectral de pulsos ultracortos. Está compuesto por una secuencia de prismas o rejillas. Cuando se ajusta correctamente, puede alterar la fase espectral φ ( ω ) del pulso de entrada de modo que el pulso de salida sea un pulso de ancho de banda limitado con la duración más corta posible. Se puede utilizar un modelador de pulso para realizar modificaciones más complicadas tanto en la fase como en la amplitud de los pulsos ultracortos.

Para controlar con precisión el pulso, es imprescindible una caracterización completa de la fase espectral del pulso para obtener cierta fase espectral del pulso (como la limitada por transformación ). Luego, se puede utilizar un modulador de luz espacial en el plano 4f para controlar el pulso. La exploración de fase de interferencia intrapulso multifotónica (MIIPS) es una técnica basada en este concepto. A través del escaneo de fase del modulador de luz espacial, MIIPS no solo puede caracterizar sino también manipular el pulso ultracorto para obtener la forma de pulso necesaria en el punto objetivo (como un pulso de transformación limitada para una potencia máxima optimizada y otras formas de pulso específicas). Si el modelador de pulso está completamente calibrado, esta técnica permite controlar la fase espectral de pulsos ultracortos utilizando una configuración óptica simple sin partes móviles. Sin embargo, la precisión de MIIPS es algo limitada con respecto a otras técnicas, como la puerta óptica con resolución de frecuencia (FROG). ^[5]

Técnicas de medición

Hay varias técnicas disponibles para medir pulsos ópticos ultracortos.

La autocorrelación de intensidad proporciona el ancho del pulso cuando se asume una forma de pulso particular.

La interferometría espectral (SI) es una técnica lineal que se puede utilizar cuando se dispone de un pulso de referencia precaracterizado. Da la intensidad y la fase. El algoritmo que extrae la intensidad y la fase de la señal SI es directo. La interferometría de fase espectral para la reconstrucción directa del campo eléctrico (SPIDER) es una técnica de autorreferencia no lineal basada en la interferometría de corte espectral. El método es similar al SI, excepto que el pulso de referencia es una réplica espectralmente desplazada de sí mismo, lo que permite obtener la intensidad espectral y la fase del pulso de la sonda a través de una rutina de filtrado FFT directa similar al SI, pero que requiere la integración de la fase. extraído del interferograma para obtener la fase de pulso de la sonda.

La activación óptica por resolución de frecuencia (FROG) es una técnica no lineal que produce la intensidad y la fase de un pulso. Es una autocorrelación resuelta espectralmente. El algoritmo que extrae la intensidad y la fase de una traza FROG es iterativo. La observación sensata y eliminada por rejilla de campos electrónicos de luz láser incidentes ultrarrápidos ( GRENOUILLE ) es una versión simplificada de FROG. ( Grenouille en francés significa " rana ").

El escaneo de chirp es una técnica similar a MIIPS que mide la fase espectral de un pulso aplicando una rampa de fases espectrales cuadráticas y midiendo espectros de segundos armónicos. Con respecto a MIIPS, que requiere muchas iteraciones para medir la fase espectral, solo se necesitan dos exploraciones de chirrido para recuperar tanto la amplitud como la fase del pulso. ^[6]

La exploración de fase de interferencia intrapulso multifotónica (MIIPS) es un método para caracterizar y manipular el pulso ultracorto.

Propagación de paquetes de ondas en medios no isotrópicos.

Para reiterar parcialmente la discusión anterior, la aproximación de la envolvente de variación lenta (SVEA) del campo eléctrico de una onda con vector de onda central y frecuencia central del pulso viene dada por: ${\displaystyle {\textbf {K}}_{0}}$ ${\displaystyle \omega _{0}}$

${\displaystyle {\textbf {E}}({\textbf {x}},t)={\textbf {A}}({\textbf {x}},t)\exp(i{\textbf {K}}_{0}{\textbf {x}}-i\omega _{0}t)}$

Consideramos la propagación para el SVEA del campo eléctrico en un medio homogéneo dispersivo no isotrópico. Suponiendo que el pulso se propaga en la dirección del eje z, se puede demostrar que la envolvente para uno de los casos más generales, es decir, un cristal biaxial, está gobernada por la PDE : ^[7] ${\displaystyle {\textbf {A}}}$

${\displaystyle {\frac {\partial {\textbf {A}}}{\partial z}}=~-~\beta _{1}{\frac {\partial {\textbf {A}}}{\partial t}}~-~{\frac {i}{2}}\beta _{2}{\frac {\partial ^{2}{\textbf {A}}}{\partial t^{2}}}~+~{\frac {1}{6}}\beta _{3}{\frac {\partial ^{3}{\textbf {A}}}{\partial t^{3}}}~+~\gamma _{x}{\frac {\partial {\textbf {A}}}{\partial x}}~+~\gamma _{y}{\frac {\partial {\textbf {A}}}{\partial y}}}$

${\displaystyle ~~~~~~~~~~~~+~i\gamma _{tx}{\frac {\partial ^{2}{\textbf {A}}}{\partial t\partial x}}~+~i\gamma _{ty}{\frac {\partial ^{2}{\textbf {A}}}{\partial t\partial y}}~-~{\frac {i}{2}}\gamma _{xx}{\frac {\partial ^{2}{\textbf {A}}}{\partial x^{2}}}~-~{\frac {i}{2}}\gamma _{yy}{\frac {\partial ^{2}{\textbf {A}}}{\partial y^{2}}}~+~i\gamma _{xy}{\frac {\partial ^{2}{\textbf {A}}}{\partial x\partial y}}+\cdots }$

donde los coeficientes contienen efectos de difracción y dispersión que se han determinado analíticamente con álgebra informática y se han verificado numéricamente dentro de tercer orden para medios isotrópicos y no isotrópicos, válidos en campo cercano y lejano. es la inversa de la proyección de velocidad del grupo. El término in es la dispersión de velocidad de grupo (GVD) o dispersión de segundo orden; aumenta la duración del pulso y chirría el pulso a medida que se propaga a través del medio. El término in es un término de dispersión de tercer orden que puede aumentar aún más la duración del pulso, incluso si desaparece. Los términos en y describen la parada del pulso; el coeficiente es la relación entre el componente de la velocidad del grupo y el vector unitario en la dirección de propagación del pulso (eje z). Los términos en y describen la difracción del paquete de ondas ópticas en las direcciones perpendiculares al eje de propagación. Los términos en y que contienen derivadas mixtas en el tiempo y el espacio rotan el paquete de ondas alrededor de los ejes y , respectivamente, aumentan el ancho temporal del paquete de ondas (además del aumento debido al GVD), aumentan la dispersión en las direcciones y , respectivamente, y aumentar el chirrido (además del debido a ) cuando este último y/o y no desaparecen. El término hace girar el paquete de ondas en el plano. Curiosamente, debido a expansiones previamente incompletas, esta rotación del pulso no se realizó hasta finales de los años 1990, pero ha sido confirmada experimentalmente . ^[8] En tercer orden, se encuentra que el RHS de la ecuación anterior tiene estos términos adicionales para la caja de cristal uniaxial: ^[9] ${\displaystyle \beta _{1}}$ ${\displaystyle \beta _{2}}$ ${\displaystyle \beta _{3}}$ ${\displaystyle \beta _{2}}$ ${\displaystyle \gamma _{x}}$ ${\displaystyle \gamma _{y}}$ ${\displaystyle \gamma _{x}~(\gamma _{y})}$ ${\displaystyle x~(y)}$ ${\displaystyle \gamma _{xx}}$ ${\displaystyle \gamma _{yy}}$ ${\displaystyle \gamma _{tx}}$ ${\displaystyle \gamma _{ty}}$ ${\displaystyle y}$ ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle y}$ ${\displaystyle \beta _{2}}$ ${\displaystyle \gamma _{xx}}$ ${\displaystyle \gamma _{yy}}$ ${\displaystyle \gamma _{xy}}$ ${\displaystyle x-y}$

${\displaystyle \cdots ~+~{\frac {1}{3}}\gamma _{txx}{\frac {\partial ^{3}{\textbf {A}}}{\partial x^{2}\partial t}}~+~{\frac {1}{3}}\gamma _{tyy}{\frac {\partial ^{3}{\textbf {A}}}{\partial y^{2}\partial t}}~+~{\frac {1}{3}}\gamma _{ttx}{\frac {\partial ^{3}{\textbf {A}}}{\partial t^{2}\partial x}}+\cdots }$

El primer y segundo términos son responsables de la curvatura del frente de propagación del pulso. Estos términos, incluido el término in, están presentes en un medio isotrópico y representan la superficie esférica de un frente de propagación que se origina en una fuente puntual. El término se puede expresar en términos del índice de refracción, la frecuencia y sus derivados y el término también distorsiona el pulso pero de una manera que invierte los roles de y (ver referencia de Trippenbach, Scott y Band para más detalles). Hasta ahora, el tratamiento aquí es lineal, pero los términos dispersivos no lineales son omnipresentes en la naturaleza. Los estudios que involucran un término no lineal adicional han demostrado que tales términos tienen un profundo efecto en el paquete de ondas, incluyendo, entre otras cosas, un auto-empinamiento del paquete de ondas. ^[10] Los aspectos no lineales eventualmente conducen a solitones ópticos . ${\displaystyle \beta _{3}}$ ${\displaystyle \gamma _{txx}}$ ${\displaystyle \omega }$ ${\displaystyle \gamma _{ttx}}$ ${\displaystyle t}$ ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle \gamma _{nl}|A|^{2}A}$

A pesar de ser bastante común, el SVEA no necesita formular una ecuación de onda simple que describa la propagación de pulsos ópticos. De hecho, como se muestra en ^[11] , incluso una forma muy general de la ecuación de onda electromagnética de segundo orden se puede factorizar en componentes direccionales, proporcionando acceso a una única ecuación de onda de primer orden para el campo mismo, en lugar de una envolvente. Esto requiere sólo la suposición de que la evolución del campo es lenta en la escala de una longitud de onda y no restringe en absoluto el ancho de banda del pulso, como lo demuestra vívidamente. ^[12]

Altos armónicos

Se pueden generar pulsos ultracortos de alta energía mediante la generación de altos armónicos en un medio no lineal . Un pulso ultracorto de alta intensidad generará una serie de armónicos en el medio; Luego se selecciona un armónico particular de interés con un monocromador . Esta técnica se ha utilizado para producir pulsos ultracortos en los regímenes ultravioleta extremo y de rayos X suaves a partir de pulsos de láser de zafiro Ti en el infrarrojo cercano .

Aplicaciones

Microprocesamiento/nanoprocesamiento 3D de materiales avanzados

Durante la última década se ha estudiado ampliamente la capacidad de los láseres de femtosegundos para fabricar de manera eficiente estructuras y dispositivos complejos para una amplia variedad de aplicaciones. Se pueden utilizar técnicas de procesamiento láser de última generación con pulsos de luz ultracortos para estructurar materiales con una resolución submicrométrica. La escritura láser directa (DLW) de fotoprotectores adecuados y otros medios transparentes puede crear complejos cristales fotónicos tridimensionales (PhC), componentes microópticos, rejillas, andamios de ingeniería de tejidos (TE) y guías de ondas ópticas. Estas estructuras son potencialmente útiles para potenciar aplicaciones de próxima generación en telecomunicaciones y bioingeniería que dependen de la creación de piezas en miniatura cada vez más sofisticadas. La precisión, la velocidad de fabricación y la versatilidad del procesamiento láser ultrarrápido lo sitúan en una buena posición para convertirse en una herramienta industrial vital para la fabricación. ^[13]

Micromecanizado

Entre las aplicaciones del láser de femtosegundo, se ha experimentado con la microtexturización de las superficies de los implantes para mejorar la formación de hueso alrededor de los implantes dentales de circonio. La técnica demostró ser precisa con un daño térmico muy bajo y con la reducción de los contaminantes superficiales. Estudios posteriores en animales demostraron que el aumento de la capa de oxígeno y las micro y nanocaracterísticas creadas por la microtexturización con láser de femtosegundo dieron como resultado tasas más altas de formación ósea, mayor densidad ósea y estabilidad mecánica mejorada. ^{[14] [15] [16]}

Polimerización multifotónica

La polimerización multifotónica (MPP) destaca por su capacidad para fabricar estructuras a micro y nanoescala con una precisión excepcional. Este proceso aprovecha el poder concentrado de los láseres de femtosegundos para iniciar reacciones de fotopolimerización altamente controladas, creando construcciones tridimensionales detalladas. ^[17] Estas capacidades hacen que el MPP sea esencial en la creación de geometrías complejas para aplicaciones biomédicas, incluida la ingeniería de tejidos y la fabricación de microdispositivos, destacando la versatilidad y precisión de los láseres de pulso ultracorto en procesos de fabricación avanzados.

Ver también

• Cronoscopia de attosegundo
• Pulso de ancho de banda limitado
• femtoquímica
• Peine de frecuencia
• Imágenes médicas : los pulsos láser ultracortos se utilizan en microscopios de fluorescencia multifotónica
• Comunicación óptica (Pulsos Ultracortos) Filtrado y Conformación de Pulsos.
• Generación y detección de terahercios (rayos T).
• Espectroscopia láser ultrarrápida
• Láser de pulso ultracorto
• Paquete de olas

Referencias

1. "El Premio Nobel de Química 1999". Premio Nobel.org . Consultado el 18 de octubre de 2023 .
2. "El Premio Nobel de Física 2023". Premio Nobel.org . Consultado el 18 de octubre de 2023 .
3. Paschotta, Rüdiger. "Enciclopedia de física y tecnología del láser: pulsos ultracortos, femtosegundo, láser". www.rp-photonics.com .
4. JC Diels, Láseres de colorante de femtosegundo, en Dye Laser Principles , FJ Duarte y LW Hillman (Eds.) (Académico, Nueva York, 1990) Capítulo 3.
5. Viene, Alberto; Rodas, Michelle; Ciesielski, Richard; Trebino, Rick; Hartschuh, Achim (2015). "Caracterización del pulso en microscopía ultrarrápida: una comparación de FROG, MIIPS y G-MIIPS". Cleo: 2015 . págs. SW1H.5. doi :10.1364/CLEO_SI.2015.SW1H.5. ISBN 978-1-55752-968-8. S2CID  23655339.
6. Loriot, Vicente; Gitzinger, Gregorio; Olvídate, Nicolás (2013). "Caracterización autorreferenciada de pulsos de láser de femtosegundos mediante escaneo chirp". Óptica Express . 21 (21): 24879–93. Código Bib : 2013OExpr..2124879L. doi : 10.1364/OE.21.024879 . ISSN  1094-4087. PMID  24150331.
7. Banda, YB; Trippenbach, Marek (1996). "Propagación óptica de paquetes de ondas en medios no isotrópicos". Cartas de revisión física . 76 (9): 1457-1460. Código bibliográfico : 1996PhRvL..76.1457B. doi : 10.1103/PhysRevLett.76.1457. PMID  10061728.
8. Radzewicz, C.; Krasinski, JS; La Grone, MJ; Trippenbach, M.; Banda, YB (1997). "Medición interferométrica de la inclinación de paquetes de ondas de femtosegundos en cristal de rutilo". Revista de la Sociedad Óptica de América B. 14 (2): 420. Código bibliográfico : 1997JOSAB..14..420R. doi :10.1364/JOSAB.14.000420.
9. Trippenbach, Marek; Scott, TC; Banda, YB (1997). "Propagación de haces y pulsos de campo cercano y lejano en medios dispersivos" (PDF) . Letras de Óptica . 22 (9): 579–81. Código Bib : 1997OptL...22..579T. doi :10.1364/OL.22.000579. PMID  18185596.
10. Trippenbach, Marek; Banda, YB (1997). "Dinámica de la división de pulsos cortos en medios no lineales dispersivos". Revisión física A. 56 (5): 4242–4253. Código bibliográfico : 1997PhRvA..56.4242T. doi :10.1103/PhysRevA.56.4242.
11. Kinsler, Paul (2010). "Propagación de pulsos ópticos con aproximaciones mínimas". Revisión física A. 81 (1): 013819. arXiv : 0810.5689 . Código bibliográfico : 2010PhRvA..81a3819K. doi : 10.1103/PhysRevA.81.013819. ISSN  1050-2947.
12. Genty, G.; Kinsler, P.; Kibler, B.; Dudley, JM (2007). "Modelado de ecuaciones envolventes no lineales de dinámica de subciclo y generación de armónicos en guías de ondas no lineales". Óptica Express . 15 (9): 5382–7. Código Bib : 2007OExpr..15.5382G. doi : 10.1364/OE.15.005382 . ISSN  1094-4087. PMID  19532792.
13. Malinauskas, Mangirdas; Žukauskas, Albertas; Hasegawa, Satoshi; Hayasaki, Yoshio; Mizeikis, Vygantas; Buividas, Ričardas; Juodkazis, Saulius (2016). "Procesamiento láser ultrarrápido de materiales: de la ciencia a la industria". Luz: ciencia y aplicaciones . 5 (8): e16133. Código Bib : 2016LSA.....5E6133M. doi :10.1038/lsa.2016.133. ISSN  2047-7538. PMC 5987357 . PMID  30167182. 
14. Delgado-Ruíz, RA; Calvo-Guirado, JL; Moreno, P.; Guardia, J.; Gómez-Moreno, G.; Mate-Sánchez, JE; Ramírez-Fernández, P.; Chiva, F. (2011). "Microestructuración con láser de femtosegundo de implantes dentales de circonio". Revista de investigación de materiales biomédicos Parte B: Biomateriales aplicados . 96B (1): 91-100. doi : 10.1002/jbm.b.31743. ISSN  1552-4973. PMID  21061361.
15. Calvo Guirado et al, 2013 y 2014
16. Delgado-Ruiz et al, 2014)
17. "Polimerización multifotónica". www.litilit.com . Consultado el 2 de abril de 2024 .

Otras lecturas

• Hirlimann, C. (2004). "Óptica Pulsada". En Rullière, Claude (ed.). Pulsos de láser de femtosegundos: principios y experimentos (2ª ed.). Nueva York: Springer. ISBN 0-387-01769-0.
• Andrew M. Weiner (2009). Óptica ultrarrápida. Hoboken, Nueva Jersey: Wiley. ISBN 978-0-471-41539-8.
• JC Diels y W. Rudolph (2006). Fenómenos del Pulso Láser Ultracorto . Nueva York, Académico. ISBN 978-0-12-215493-5.

enlaces externos

• El laboratorio virtual de femtosegundos Lab2
• Animación sobre propagación de Pulso Corto en medio aleatorio (YouTube)
• Láseres ultrarrápidos: una guía animada sobre el funcionamiento de amplificadores y láseres de Ti:Zafiro.