El bloqueo de modo es una técnica en óptica mediante la cual se puede hacer que un láser produzca pulsos de luz de duración extremadamente corta, del orden de picosegundos (10 −12 s) o femtosegundos (10 −15 s). Un láser operado de esta manera a veces se denomina láser de femtosegundo , por ejemplo, en la cirugía refractiva moderna . La base de la técnica es inducir una relación de fase fija entre los modos longitudinales de la cavidad resonante del láser . La interferencia constructiva entre estos modos puede hacer que la luz del láser se produzca como un tren de pulsos. Entonces se dice que el láser está "bloqueado en fase" o "bloqueado en modo".
Aunque la luz láser es quizás la forma más pura de luz, no tiene una única frecuencia o longitud de onda pura . Todos los láseres producen luz en un ancho de banda natural o rango de frecuencias. El ancho de banda de operación de un láser está determinado principalmente por el medio de ganancia a partir del cual está construido el láser, y el rango de frecuencias en el que puede operar un láser se conoce como ancho de banda de ganancia. Por ejemplo, un láser de helio-neón típico tiene un ancho de banda de ganancia de aproximadamente 1,5 GHz (un rango de longitud de onda de aproximadamente 0,002 nm en una longitud de onda central de 633 nm), mientras que un láser de estado sólido de zafiro dopado con titanio ( Ti:zafiro ) tiene un ancho de banda de aproximadamente 128 THz (un rango de longitud de onda de 300 nm centrado en 800 nm).
El segundo factor que determina las frecuencias de emisión de un láser es la cavidad óptica (o cavidad resonante) del láser. En el caso más simple, esta consiste en dos espejos planos enfrentados que rodean el medio de ganancia del láser (esta disposición se conoce como cavidad Fabry-Pérot ). Como la luz es una onda , al rebotar entre los espejos de la cavidad, la luz interfiere consigo misma de manera constructiva y destructiva, lo que lleva a la formación de ondas estacionarias o modos entre los espejos. Estas ondas estacionarias forman un conjunto discreto de frecuencias, conocidas como modos longitudinales de la cavidad. Estos modos son las únicas frecuencias de la luz que se autorregeneran y que la cavidad resonante permite que oscilen; todas las demás frecuencias de la luz son suprimidas por la interferencia destructiva. Para una cavidad de espejo plano simple, los modos permitidos son aquellos para los cuales la distancia de separación de los espejos L es un múltiplo exacto de la mitad de la longitud de onda de la luz λ , tal que L = qλ / 2 , donde q es un entero conocido como orden del modo.
En la práctica, L suele ser mucho mayor que λ , por lo que los valores relevantes de q son grandes (alrededor de 10 5 a 10 6 ). De mayor interés es la separación de frecuencia entre dos modos adyacentes cualesquiera q y q + 1 ; esto viene dado (para un resonador lineal vacío de longitud L ) por Δ ν = c / 2 L , donde c es la velocidad de la luz (≈ 3×10 8 m/s).
Utilizando la ecuación anterior, un láser pequeño con una separación de espejos de 30 cm tiene una separación de frecuencia entre modos longitudinales de 0,5 GHz. Por lo tanto, para los dos láseres mencionados anteriormente, con una cavidad de 30 cm, el ancho de banda de 1,5 GHz del láser HeNe admitiría hasta 3 modos longitudinales, mientras que el ancho de banda de 128 THz del láser Ti:zafiro podría admitir aproximadamente 250.000 modos. Cuando se excita más de un modo longitudinal, se dice que el láser está en funcionamiento "multimodo". Cuando solo se excita un modo longitudinal, se dice que el láser está en funcionamiento "monomodo".
Cada modo longitudinal individual tiene un ancho de banda o un rango estrecho de frecuencias sobre el cual opera, pero normalmente este ancho de banda, determinado por el factor Q de la cavidad (véase interferómetro de Fabry-Pérot ), es mucho menor que la separación de frecuencias entre modos.
En un láser simple, cada uno de estos modos oscila de forma independiente, sin una relación fija entre sí, en esencia como un conjunto de láseres independientes, todos emitiendo luz a frecuencias ligeramente diferentes. La fase individual de las ondas de luz en cada modo no es fija y puede variar aleatoriamente debido a factores como los cambios térmicos en los materiales del láser. En láseres con solo unos pocos modos oscilantes, la interferencia entre los modos puede causar efectos de vibración en la salida del láser, lo que lleva a fluctuaciones en la intensidad; en láseres con muchos miles de modos, estos efectos de interferencia tienden a promediar una intensidad de salida casi constante.
Si en lugar de oscilar independientemente, cada modo opera con una fase fija entre él y los otros modos, entonces la salida del láser se comporta de manera bastante diferente. En lugar de una intensidad de salida aleatoria o constante, los modos del láser interferirán periódicamente entre sí de manera constructiva, produciendo una intensa ráfaga o pulso de luz. Se dice que un láser de este tipo está "bloqueado en modo" o "bloqueado en fase". Estos pulsos se producen separados en el tiempo por τ = 2 L / c , donde τ es el tiempo que tarda la luz en hacer exactamente un viaje de ida y vuelta por la cavidad del láser. Este tiempo corresponde a una frecuencia exactamente igual al espaciado entre modos del láser, Δ ν = 1/ τ .
La duración de cada pulso de luz está determinada por el número de modos que oscilan en fase (en un láser real, no es necesariamente cierto que todos los modos del láser estén bloqueados en fase). Si hay N modos bloqueados con una separación de frecuencia Δ ν , entonces el ancho de banda de bloqueo de modo general es N Δ ν , y cuanto más amplio sea este ancho de banda, más corta será la duración del pulso del láser. En la práctica, la duración real del pulso está determinada por la forma de cada pulso, que a su vez está determinada por la relación exacta de amplitud y fase de cada modo longitudinal. Por ejemplo, para un láser que produce pulsos con una forma temporal gaussiana , la duración mínima posible del pulso Δ t está dada por
El valor 0,441 se conoce como el " producto tiempo-ancho de banda " del pulso y varía según la forma del pulso. Para los láseres de pulso ultracorto , a menudo se supone una forma de pulso hiperbólica-secante -cuadrada (sec2 ) , lo que da un producto tiempo-ancho de banda de 0,315.
Utilizando esta ecuación, se puede calcular la duración mínima del pulso de acuerdo con el ancho espectral del láser medido. Para el láser HeNe con un ancho de banda de 1,5 GHz, el pulso gaussiano más corto compatible con este ancho espectral es de alrededor de 300 picosegundos; para el láser de zafiro Ti con un ancho de banda de 128 THz, este ancho espectral corresponde a un pulso de solo 3,4 femtosegundos. Estos valores representan los pulsos gaussianos más cortos posibles compatibles con el ancho de banda del láser; en un láser con modo bloqueado real, la duración real del pulso depende de muchos otros factores, como la forma real del pulso y la dispersión general de la cavidad.
En principio, una modulación posterior podría acortar aún más el ancho de pulso de dicho láser, pero con ello aumentaría correspondientemente el ancho espectral medido.
Existen muchas formas de bloquear la frecuencia, pero el principio básico es el mismo, que se basa en el bucle de retroalimentación del sistema láser. El punto de partida del bucle de retroalimentación es la cantidad que debe estabilizarse (frecuencia o fase). Para comprobar si la frecuencia cambia con el tiempo, se necesita una referencia. Una forma habitual de medir la frecuencia del láser es relacionarla con una propiedad geométrica de una cavidad óptica. La cavidad Fabry-Pérot es la más utilizada para este fin, que consta de dos espejos paralelos separados por cierta distancia. Este método se basa en el hecho de que la luz puede resonar y transmitirse solo si la longitud del recorrido óptico de un único viaje de ida y vuelta es un múltiplo entero de la longitud de onda de la luz. La desviación de la frecuencia de un láser con respecto a esta condición reducirá la transmisión de esa frecuencia. La relación entre la transmisión y la desviación de frecuencia está dada por una función de Lorentz con un ancho de línea máximo de la mitad del ancho de línea máximo.
donde Δ ν FSR = c /2 L es la diferencia de frecuencia entre resonancias adyacentes (es decir, el rango espectral libre) y F es la finura ,
donde R es la reflectividad de los espejos. Por lo tanto, para obtener un ancho de línea de cavidad pequeño, los espejos deben tener una reflectividad más alta, por lo que para reducir el ancho de línea del láser al mínimo, se requiere una cavidad de alta finura.
Los métodos para producir bloqueo de modo en un láser pueden clasificarse como "activos" o "pasivos". Los métodos activos suelen implicar el uso de una señal externa para inducir una modulación de la luz dentro de la cavidad. Los métodos pasivos no utilizan una señal externa, sino que se basan en la colocación de algún elemento en la cavidad del láser que provoca la automodulación de la luz.
La técnica de bloqueo de modo activo más común coloca un modulador electroóptico de onda estacionaria en la cavidad láser. Cuando se activa con una señal eléctrica, esto produce una modulación de amplitud sinusoidal de la luz en la cavidad. Considerando esto en el dominio de la frecuencia, si un modo tiene una frecuencia óptica ν y se modula en amplitud a una frecuencia f , entonces la señal resultante tiene bandas laterales en las frecuencias ópticas ν − f y ν + f . Si el modulador se activa a la misma frecuencia que el espaciamiento de modos de cavidad Δ ν , entonces estas bandas laterales corresponden a los dos modos de cavidad adyacentes al modo original. Dado que las bandas laterales se activan en fase, el modo central y los modos adyacentes estarán bloqueados en fase juntos. El funcionamiento posterior del modulador en las bandas laterales produce un bloqueo de fase de los modos ν − 2 f y ν + 2 f , y así sucesivamente hasta que todos los modos en el ancho de banda de ganancia estén bloqueados. Como se dijo anteriormente, los láseres típicos son multimodo y no están sembrados por un modo raíz, por lo que varios modos deben determinar qué fase utilizar. En una cavidad pasiva con este bloqueo aplicado, no hay forma de deshacerse de la entropía dada por las fases independientes originales. Este bloqueo se describe mejor como un acoplamiento, que conduce a un comportamiento complicado y no a pulsos limpios. El acoplamiento solo es disipativo debido a la naturaleza disipativa de la modulación de amplitud; de lo contrario, la modulación de fase no funcionaría.
Este proceso también puede considerarse en el dominio del tiempo. El modulador de amplitud actúa como un "obturador" débil para la luz que rebota entre los espejos de la cavidad, atenuándola cuando está "cerrada" y dejándola pasar cuando está "abierta". Si la tasa de modulación f está sincronizada con el tiempo de ida y vuelta de la cavidad τ , entonces un solo pulso de luz rebotará de un lado a otro en la cavidad. La intensidad real de la modulación no tiene por qué ser grande; un modulador que atenúa el 1% de la luz cuando está "cerrado" bloqueará el modo de un láser, ya que la misma parte de la luz se atenúa repetidamente a medida que atraviesa la cavidad.
En relación con esta modulación de amplitud (AM), el bloqueo de modo activo es el bloqueo de modo de modulación de frecuencia (FM), que utiliza un dispositivo modulador basado en el efecto acústico-óptico . Este dispositivo, cuando se coloca en una cavidad láser y se activa con una señal eléctrica, induce un pequeño cambio de frecuencia que varía sinusoidalmente en la luz que pasa a través de él. Si la frecuencia de modulación se adapta al tiempo de ida y vuelta de la cavidad, entonces parte de la luz en la cavidad experimenta cambios repetidos hacia arriba y hacia abajo en la frecuencia. Después de muchas repeticiones, la luz que se ha cambiado hacia arriba y hacia abajo se barre fuera del ancho de banda de ganancia del láser. La única luz que no se ve afectada es la que pasa a través del modulador cuando el cambio de frecuencia inducido es cero, lo que forma un pulso estrecho de luz.
El tercer método de bloqueo de modo activo es el bloqueo de modo sincrónico o bombeo sincrónico. En este método, la fuente de bombeo (fuente de energía) del láser se modula a su vez, encendiendo y apagando efectivamente el láser para producir pulsos. Normalmente, la fuente de bombeo es en sí misma otro láser bloqueado en modo. Esta técnica requiere que coincidan con precisión las longitudes de cavidad del láser de bombeo y del láser accionado.
Las técnicas de bloqueo de modo pasivo son aquellas que no requieren una señal externa al láser (como la señal de activación de un modulador) para producir pulsos. En cambio, utilizan la luz en la cavidad para provocar un cambio en algún elemento intracavitario, que luego producirá un cambio en la luz intracavitaria. Un dispositivo que se utiliza comúnmente para lograr esto es un absorbedor saturable .
Un absorbedor saturable es un dispositivo óptico que presenta una transmisión dependiente de la intensidad, lo que significa que el dispositivo se comporta de manera diferente según la intensidad de la luz que pasa a través de él. Para el bloqueo de modo pasivo, lo ideal es que un absorbedor saturable absorba selectivamente la luz de baja intensidad, pero transmita luz de intensidad suficientemente alta. Cuando se coloca en una cavidad láser, un absorbedor saturable atenúa la luz de onda constante de baja intensidad (alas de pulso). Sin embargo, debido a las fluctuaciones de intensidad algo aleatorias que experimenta un láser sin bloqueo de modo, cualquier pico intenso aleatorio se transmite preferentemente por el absorbedor saturable. A medida que la luz en la cavidad oscila, este proceso se repite, lo que lleva a la amplificación selectiva de los picos de alta intensidad y a la absorción de la luz de baja intensidad. Después de muchos viajes de ida y vuelta, esto conduce a un tren de pulsos y al bloqueo de modo del láser.
Considerando esto en el dominio de la frecuencia, si un modo tiene una frecuencia óptica ν y está modulado en amplitud a una frecuencia nf , entonces la señal resultante tiene bandas laterales en las frecuencias ópticas ν − nf y ν + nf y permite un bloqueo de modo mucho más fuerte para pulsos más cortos y más estabilidad que el bloqueo de modo activo, pero tiene problemas de inicio.
Los absorbentes saturables son comúnmente colorantes orgánicos líquidos , pero también pueden estar hechos de cristales dopados y semiconductores . Los absorbentes semiconductores tienden a mostrar tiempos de respuesta muy rápidos (~100 fs), que es uno de los factores que determina la duración final de los pulsos en un láser bloqueado en modo pasivo. En un láser bloqueado en modo de pulso en colisión, el absorbente empina el borde de entrada, mientras que el medio láser empina el borde de salida del pulso.
También existen esquemas de bloqueo de modo pasivo que no dependen de materiales que muestren directamente una absorción dependiente de la intensidad. En estos métodos, se utilizan efectos ópticos no lineales en los componentes intracavitarios para proporcionar un método de amplificación selectiva de la luz de alta intensidad en la cavidad y atenuación de la luz de baja intensidad. Uno de los esquemas más exitosos se denomina bloqueo de modo de lente Kerr (KLM), también llamado a veces "bloqueo de modo propio". Este utiliza un proceso óptico no lineal, el efecto Kerr óptico , que da como resultado que la luz de alta intensidad se enfoque de manera diferente a la luz de baja intensidad. Mediante la disposición cuidadosa de una abertura en la cavidad del láser, este efecto se puede explotar para producir el equivalente de un absorbente saturable con un tiempo de respuesta ultrarrápido.
En algunos láseres semiconductores, se puede utilizar una combinación de las dos técnicas anteriores. Si se utiliza un láser con un absorbedor saturable y se modula la inyección eléctrica a la misma frecuencia a la que está bloqueado el láser, el láser se puede estabilizar mediante la inyección eléctrica. Esto tiene la ventaja de estabilizar el ruido de fase del láser y puede reducir la fluctuación temporal de los pulsos del láser.
También se ha observado una transferencia coherente de información de fase entre pulsos láser subsiguientes a partir de láseres de nanocables . En este caso, la información de fase se ha almacenado en el campo de fotones residual de oscilaciones coherentes de Rabi en la cavidad. Estos hallazgos abren el camino al bloqueo de fase de fuentes de luz integradas en circuitos fotónicos a escala de chip y aplicaciones, como la espectroscopia de peine de Ramsey en chip. [1]
El bloqueo de modo de dominio de Fourier (FDML) es una técnica de bloqueo de modo láser que crea una salida de luz de onda continua barrida por longitud de onda. [2] Una aplicación principal de los láseres FDML es la tomografía de coherencia óptica .
En la práctica, una serie de consideraciones de diseño afectan el rendimiento de un láser bloqueado por modo. Las más importantes son la dispersión general del resonador óptico del láser , que se puede controlar con un compresor de prismas o algunos espejos dispersivos colocados en la cavidad, y las no linealidades ópticas . Para una dispersión de retardo de grupo neto (GDD) excesiva de la cavidad láser, la fase de los modos de la cavidad no se puede bloquear en un ancho de banda grande y será difícil obtener pulsos muy cortos. Para una combinación adecuada de GDD neto negativo (anómalo) con la no linealidad de Kerr , las interacciones similares a solitones pueden estabilizar el bloqueo de modo y ayudar a generar pulsos más cortos. La duración de pulso más corta posible generalmente se logra ya sea para dispersión cero (sin no linealidades) o para alguna dispersión ligeramente negativa (anómala) (explotando el mecanismo de solitones).
Los pulsos ópticos más cortos producidos directamente son generalmente producidos por láseres de titanio y zafiro bloqueados por modo de lente Kerr y tienen una duración de alrededor de 5 femtosegundos. Alternativamente, se crean pulsos amplificados de una duración similar a través de la compresión de pulsos más largos (por ejemplo, 30 fs) por modulación de fase propia en una fibra de núcleo hueco o durante la filamentación. Sin embargo, la duración mínima del pulso está limitada por el período de la frecuencia portadora (que es de aproximadamente 2,7 fs para los sistemas de titanio y zafiro); por lo tanto, los pulsos más cortos requieren moverse a longitudes de onda más cortas. Algunas técnicas avanzadas (que implican la generación de altos armónicos con pulsos láser de femtosegundos amplificados) se pueden utilizar para producir características ópticas con duraciones tan cortas como 100 attosegundos en la región espectral ultravioleta extrema (es decir, <30 nm). Otros logros, importantes sobre todo para aplicaciones láser , se refieren al desarrollo de láseres de modo bloqueado que pueden ser bombeados con diodos láser , pueden generar potencias de salida promedio muy altas (decenas de vatios) en pulsos de subpicosegundos, o generar trenes de pulsos con tasas de repetición extremadamente altas de muchos GHz.
Las duraciones de pulso menores a aproximadamente 100 fs son demasiado cortas para ser medidas directamente utilizando técnicas optoelectrónicas (es decir, fotodiodos ), y por lo tanto se utilizan métodos indirectos, como autocorrelación , compuerta óptica resuelta en frecuencia , interferometría de fase espectral para reconstrucción directa de campo eléctrico y escaneo de fase de interferencia intrapulso de múltiples fotones .
La luz monocromática es una propiedad del láser que depende del principio de funcionamiento fundamental del láser, que contiene elementos selectivos de frecuencia. Por ejemplo, en los láseres de diodo , los resonadores de espejo externo y las rejillas son esos elementos. Con la ayuda de estos elementos, la selección de frecuencia conduce a una emisión espectral de luz muy estrecha. Sin embargo, cuando se observa de cerca, hay fluctuaciones de frecuencia que ocurren en diferentes escalas de tiempo. Puede haber diferentes razones para su origen, como fluctuación en el voltaje de entrada, vibración acústica o cambio en la presión y temperatura del entorno. Por lo tanto, para limitar estas fluctuaciones de frecuencia, es necesario estabilizar la fase o frecuencia del láser en una medida externa. La estabilización de las propiedades del láser utilizando cualquier fuente externa o referencia externa generalmente se denomina "bloqueo del láser" o simplemente "bloqueo".
El motivo de la generación de señales de error es crear una señal electrónica que sea proporcional a la desviación del láser con respecto a una determinada frecuencia o fase, denominada "punto de bloqueo". Si la frecuencia del láser es grande, la señal es positiva; si la frecuencia es muy pequeña, la señal es negativa. El punto en el que la señal es cero se denomina punto de bloqueo. El bloqueo del láser basado en una señal de error que es una función de la frecuencia se denomina bloqueo de frecuencia y, si la señal de error es una función de la desviación de fase del láser, este bloqueo se denomina bloqueo de fase. Si la señal se crea utilizando una configuración óptica que implica referencias como referencias de frecuencia, entonces, al utilizar la referencia, la señal óptica se convierte directamente en frecuencias que se pueden detectar directamente. La otra forma es registrar la señal utilizando un fotodiodo o una cámara y, a continuación, modificar esta señal electrónicamente.
