Los láseres de titanio-zafiro (también conocidos como láseres de Ti:zafiro , láseres de Ti: Al2O3 o Ti:zafiros ) son láseres sintonizables que emiten luz roja e infrarroja cercana en el rango de 650 a 1100 nanómetros. Estos láseres se utilizan principalmente en la investigación científica debido a su capacidad de sintonización y su capacidad de generar pulsos ultracortos gracias a su amplio espectro de emisión de luz. Los láseres basados en Ti:zafiro fueron construidos e inventados por primera vez en junio de 1982 por Peter Moulton en el Laboratorio Lincoln del MIT . [1]
El término titanio-zafiro se refiere al medio láser , un cristal de zafiro ( Al2O3 ) dopado con iones Ti3 + . Un láser de Ti:zafiro suele estar bombeado con otro láser con una longitud de onda de 514 a 532 nm, para lo cual se utilizan láseres de iones de argón (514,5 nm) y láseres Nd:YAG , Nd:YLF y Nd:YVO de frecuencia duplicada (527–532 nm). Son capaces de operar con láser desde una longitud de onda de 670 nm a 1100 nm. [2] Los láseres de Ti:zafiro funcionan de manera más eficiente en longitudes de onda cercanas a los 800 nm. [3]
Los osciladores de modo bloqueado generan pulsos ultracortos con una duración típica de entre unos pocos picosegundos y 10 femtosegundos , en casos especiales incluso alrededor de 5 femtosegundos (pocos ciclos de onda portadora en cada pulso láser). La frecuencia de repetición de pulso es en la mayoría de los casos alrededor de 70 a 90 MHz, como se da por la trayectoria óptica de ida y vuelta del oscilador, típicamente unos pocos metros. Los osciladores de Ti:zafiro normalmente se bombean con un haz láser de onda continua desde un láser de argón o Nd:YVO4 de frecuencia duplicada . Típicamente, un oscilador de este tipo tiene una potencia de salida promedio de 0,4 a 2,5 vatios (5,7 a 35 nJ en cada pulso láser para la tasa de repetición de 70 MHz).
Estos dispositivos generan pulsos ultracortos y de intensidad ultraalta con una duración de 20 a 100 femtosegundos. Un amplificador típico de una etapa puede producir pulsos de hasta 5 milijulios de energía a una frecuencia de repetición de 1000 hercios , mientras que una instalación más grande de varias etapas puede producir pulsos de hasta varios julios , con una tasa de repetición de hasta 10 Hz. Por lo general, los cristales amplificadores se bombean con un láser Nd:YLF de frecuencia pulsada duplicada a 527 nm y funcionan a 800 nm. Existen dos diseños diferentes para el amplificador: amplificador regenerativo y amplificador de múltiples pasos.
Los amplificadores regenerativos funcionan amplificando pulsos individuales de un oscilador (ver arriba). En lugar de una cavidad normal con un espejo parcialmente reflectante, contienen interruptores ópticos de alta velocidad que insertan un pulso en una cavidad y lo extraen de la cavidad exactamente en el momento correcto cuando se ha amplificado a una alta intensidad.
El término " pulso chirriante " se refiere a una construcción especial que es necesaria para evitar que el pulso dañe los componentes del láser. El pulso se estira en el tiempo para que la energía no se encuentre toda en el mismo punto en el tiempo y el espacio. Esto evita daños a la óptica del amplificador. Luego, el pulso se amplifica ópticamente y se recomprime en el tiempo para formar un pulso corto y localizado. Todas las ópticas posteriores a este punto deben elegirse teniendo en cuenta la alta densidad de energía.
En un amplificador de múltiples pasos , no hay interruptores ópticos. En su lugar, los espejos guían el haz un número fijo de veces (dos o más) a través del cristal de zafiro de titanio con direcciones ligeramente diferentes. Un haz de bombeo pulsado también puede pasar varias veces a través del cristal, de modo que cada vez más pases bombeen el cristal. Primero, el haz de bombeo bombea un punto en el medio de ganancia. Luego, el haz de señal pasa primero por el centro para una amplificación máxima, pero en pases posteriores se aumenta el diámetro para permanecer por debajo del umbral de daño, para evitar la amplificación de las partes externas del haz, lo que aumenta la calidad del haz y corta parte de la emisión espontánea amplificada y para agotar por completo la inversión en el medio de ganancia.
Los pulsos de los amplificadores de pulsos chirped a menudo se convierten a otras longitudes de onda mediante diversos procesos ópticos no lineales .
A 5 mJ en 100 femtosegundos, la potencia máxima de un láser de este tipo es de 50 gigavatios. [4] Cuando se enfocan con una lente, estos pulsos láser ionizan cualquier material colocado en el foco, incluidas las moléculas de aire, y dan lugar a una propagación de filamentos cortos y a fuertes efectos ópticos no lineales que generan un amplio espectro de longitudes de onda.
El titanio-zafiro es especialmente adecuado para láseres pulsados, ya que un pulso ultracorto contiene inherentemente un amplio espectro de componentes de frecuencia. Esto se debe a la relación inversa entre el ancho de banda de frecuencia de un pulso y su duración temporal, debido a que son variables conjugadas . Sin embargo, con un diseño apropiado, el titanio-zafiro también se puede utilizar en láseres de onda continua con anchos de línea extremadamente estrechos ajustables en un amplio rango.
El láser de zafiro de titanio fue inventado por Peter Moulton en junio de 1982 en el Laboratorio Lincoln del MIT en su versión de onda continua. Posteriormente, se demostró que estos láseres generaban pulsos ultracortos a través del modelo de bloqueo de lentes Kerr . [5] Strickland y Mourou , además de otros, que trabajaban en la Universidad de Rochester , demostraron la amplificación de pulsos chirped de este láser en unos pocos años, [6] por lo que estos dos compartieron el Premio Nobel de Física de 2018 [7] (junto con Arthur Ashkin por las pinzas ópticas). Las ventas acumuladas de productos del láser de zafiro de titanio ascendieron a más de 600 millones de dólares, lo que lo convirtió en un gran éxito comercial que ha sostenido la industria del láser de estado sólido durante más de tres décadas. [8] [9]
Los pulsos ultracortos generados por láseres de Ti:zafiro en el dominio del tiempo corresponden a peines de frecuencia óptica bloqueados por modo en el dominio espectral. Tanto las propiedades temporales como espectrales de estos láseres los hacen muy deseables para la metrología de frecuencia, la espectroscopia o para bombear procesos ópticos no lineales . La mitad del premio Nobel de Física en 2005 se otorgó al desarrollo de la técnica de peine de frecuencia óptica, que dependía en gran medida del láser de Ti:zafiro y sus propiedades de automodelado. [10] [11] [12] Las versiones de onda continua de estos láseres pueden diseñarse para tener un rendimiento limitado casi cuántico, lo que resulta en un bajo ruido y un ancho de línea estrecho, lo que los hace atractivos para experimentos de óptica cuántica . [13] El ruido de emisión espontánea amplificado reducido en la radiación de los láseres de Ti:zafiro brinda una gran solidez en su aplicación como redes ópticas para el funcionamiento de relojes atómicos de última generación. Además de las aplicaciones científicas fundamentales en el laboratorio, este láser ha encontrado aplicaciones biológicas como la obtención de imágenes multifotónicas de tejidos profundos y aplicaciones industriales de micromaquinado en frío . Cuando se opera en el modo de amplificación de pulsos chirped, se pueden utilizar para generar potencias de pico extremadamente altas en el rango de los teravatios, que se utilizan en la investigación de la fusión nuclear .