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Láser de cristal líquido

Un láser de cristal líquido es un láser que utiliza un cristal líquido como cavidad resonadora , lo que permite la selección de la longitud de onda de emisión y la polarización del medio láser activo . El medio láser suele ser un colorante dopado en el cristal líquido. Los láseres de cristal líquido son comparables en tamaño a los láseres de diodo , pero proporcionan la capacidad de ajuste continuo de amplio espectro de los láseres de colorante al tiempo que mantienen un área de coherencia grande . El rango de ajuste suele ser de varias decenas de nanómetros . [1] La autoorganización a escalas micrométricas reduce la complejidad de fabricación en comparación con el uso de metamateriales fotónicos en capas . El funcionamiento puede ser en modo de onda continua o en modo pulsado . [2]

Historia

El láser de retroalimentación distribuida que utiliza la reflexión de Bragg de una estructura periódica en lugar de espejos externos se propuso por primera vez en 1971, [3] se predijo teóricamente con cristales líquidos colestéricos en 1978, [4] se logró experimentalmente en 1980, [5] y se explicó en términos de una brecha de banda fotónica en 1998. [6] [7] [8] Una patente de los Estados Unidos emitida en 1973 describió un láser de cristal líquido que utiliza "un medio láser líquido que tiene retroalimentación distribuida interna en virtud de la estructura molecular de un material de cristal líquido colestérico". [9]

Mecanismo

Partiendo de un cristal líquido en fase nemática, el paso helicoidal deseado (la distancia a lo largo del eje helicoidal para una rotación completa de las subunidades del plano nemático) se puede lograr dopando el cristal líquido con una molécula quiral. [8] Para la luz polarizada circularmente con la misma lateralidad, esta modulación regular del índice de refracción produce una reflexión selectiva de la longitud de onda dada por el paso helicoidal, lo que permite que el láser de cristal líquido sirva como su propia cavidad resonadora. Los cristales fotónicos son susceptibles a los métodos de teoría de bandas , con la estructura dieléctrica periódica desempeñando el papel del potencial eléctrico periódico y una brecha de banda fotónica (muesca de reflexión) correspondiente a frecuencias prohibidas. La menor velocidad del grupo de fotones y la mayor densidad de estados cerca de la brecha de banda fotónica suprimen la emisión espontánea y mejoran la emisión estimulada , lo que proporciona condiciones favorables para la emisión láser. [7] [10] Si el borde de la banda electrónica cae en la brecha de banda fotónica, la recombinación electrón-hueco se suprime estrictamente. [11] Esto permite dispositivos con alta eficiencia láser, bajo umbral láser y frecuencia estable, donde el láser de cristal líquido actúa como su propia guía de ondas. Se puede lograr un cambio no lineal "colosal" en el índice de refracción en cristales líquidos de fase nemática dopados, es decir, el índice de refracción puede cambiar con la intensidad de la iluminación a una tasa de aproximadamente 10 3 cm 2 /W de intensidad de iluminación. [12] [13] [14] La mayoría de los sistemas utilizan un láser de bombeo de semiconductores para lograr la inversión de población , aunque también son posibles los sistemas de bombeo eléctrico y de lámpara de destello. [15]

La sintonización de la longitud de onda de salida se logra variando suavemente el paso helicoidal: a medida que cambia el bobinado, también lo hace la escala de longitud del cristal. Esto, a su vez, desplaza el borde de la banda y cambia la longitud del camino óptico en la cavidad láser. La aplicación de un campo eléctrico estático perpendicular al momento dipolar de la fase nemática local hace girar las subunidades en forma de varilla en el plano hexagonal y reordena la fase quiral, enrollando o desenrollando el paso helicoidal. [16] De manera similar, la sintonización óptica de la longitud de onda de salida está disponible utilizando luz láser lejos de la frecuencia de captación del medio de ganancia, con un grado de rotación regido por la intensidad y el ángulo entre la polarización de la luz incidente y el momento dipolar. [17] [18] [19] La reorientación es estable y reversible. El paso quiral de una fase colestérica tiende a desenrollarse con el aumento de la temperatura, con una transición de desorden-orden a la fase nemática de mayor simetría en el extremo superior. [5] [20] [21] [22] Aplicando un gradiente de temperatura perpendicular a la dirección de emisión que varía la ubicación de la estimulación, se puede seleccionar la frecuencia a lo largo de un espectro continuo. [23] De manera similar, un gradiente de dopaje cuasi-continuo produce múltiples líneas láser desde diferentes ubicaciones en la misma muestra. [15] El ajuste espacial también se puede lograr utilizando una celda de cuña. Las condiciones de contorno de la celda más estrecha comprimen el paso helicoidal al requerir una orientación particular en el borde, con saltos discretos donde las celdas externas giran a la siguiente orientación estable; la variación de frecuencia entre saltos es continua. [24]

Si se introduce un defecto en el cristal líquido para alterar la periodicidad, se puede crear un único modo permitido dentro de la banda prohibida fotónica, lo que reduce la pérdida de potencia por emisión espontánea en frecuencias adyacentes. La emisión láser en modo defecto se predijo por primera vez en 1987 y se demostró en 2003. [11] [25] [26]

Si bien la mayoría de estas películas delgadas actúan sobre el eje normal a la superficie de la película, algunas lo hacen sobre un ángulo cónico alrededor de ese eje. [27]

Aplicaciones

Referencias

  1. ^ de Woltman 2007, pág. 357
  2. ^ Jacobs; Cerqua; Marshall; Schmid; Guardalben; Skerrett (1988). "Óptica láser de cristal líquido: diseño, fabricación y rendimiento". Journal of the Optical Society of America B . 5 (9): 1962. Bibcode :1988JOSAB...5.1962J. doi :10.1364/JOSAB.5.001962.
  3. ^ Kogelnik, H.; CV Shank (1971). "Emisión estimulada en una estructura periódica". Applied Physics Letters . 18 (4): 152. Código Bibliográfico :1971ApPhL..18..152K. doi :10.1063/1.1653605.
  4. ^ Kukhtarev, NV (1978). "Láser de cristal líquido colestérico con retroalimentación distribuida". Revista soviética de electrónica cuántica . 8 (6): 774–776. Código Bibliográfico :1978QuEle...8..774K. doi :10.1070/QE1978v008n06ABEH010397.
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  6. ^ Woltman 2007, pág. 310
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Bibliografía

Lectura adicional

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