El bloqueo de modo de lente Kerr ( KLM ) es un método de bloqueo de modo de láseres mediante el efecto Kerr óptico no lineal . Este método permite la generación de pulsos de luz con una duración tan corta como unos pocos femtosegundos .
El efecto óptico Kerr es un proceso que resulta de la respuesta no lineal de un medio óptico al campo eléctrico de una onda electromagnética . El índice de refracción del medio depende de la intensidad del campo. [1]
Debido a la distribución no uniforme de la densidad de potencia en un haz gaussiano (como se encuentra en los resonadores láser), el índice de refracción cambia a lo largo del perfil del haz; el índice de refracción experimentado por el haz es mayor en el centro del haz que en el borde. Así, una varilla de un medio de Kerr activo funciona como una lente para luz de alta intensidad. Esto se llama autocentrarse y en casos extremos conduce a la destrucción material. En la cavidad del láser se enfocan breves ráfagas de luz de forma diferente a las ondas continuas.
Para favorecer el modo pulsado sobre el de onda continua, la cavidad podría hacerse inestable para el funcionamiento de onda continua , pero más a menudo una baja estabilidad es un subproducto de un diseño de cavidad que pone énfasis en los efectos de apertura. Los diseños más antiguos usaban una apertura dura, que simplemente corta, mientras que los diseños modernos usan una apertura suave, es decir, la superposición entre la región bombeada del medio de ganancia y el pulso. Mientras que el efecto de una lente sobre un rayo láser libre es bastante obvio, dentro de una cavidad todo el rayo intenta adaptarse a este cambio. La cavidad estándar con espejos planos y una lente térmica en el cristal láser tiene el ancho de haz más pequeño en los espejos laterales. Con la lente Kerr adicional, el ancho del espejo retrovisor se reduce aún más. Por lo tanto, los espejos finales pequeños (apertura dura) favorecen los pulsos. En Ti:Los osciladores de zafiro se insertan telescopios alrededor del cristal para aumentar la intensidad.
Para una apertura suave, considere un cristal láser infinito con una lente térmica. Un rayo láser se guía como si fuera una fibra de vidrio. Con una lente Kerr adicional, el ancho del haz se reduce. En un láser real el cristal es finito. La cavidad en ambos lados presenta un espejo cóncavo y luego un camino relativamente largo hacia un espejo plano. La luz de onda continua sale por la cara frontal del cristal con una anchura de haz mayor y una ligera divergencia. Ilumina un área más pequeña en el espejo cóncavo, generando un haz de luz pequeño en el camino hacia el espejo plano. Por tanto, la difracción es más fuerte. Debido a la divergencia, la luz efectivamente proviene de un punto más alejado y conduce a una mayor convergencia después del espejo cóncavo. Esta convergencia se equilibra con la difracción. La luz pulsada sale por el extremo frontal con una anchura de haz más pequeña y sin divergencia. Por lo tanto, ilumina un área más grande en el espejo cóncavo y luego es menos convergente. Así, tanto las ondas continuas como los frentes de luz pulsada se reflejan sobre sí mismos. Una cavidad cercana a una confocal significa estar cerca de la inestabilidad, lo que significa que el diámetro del haz es sensible a los cambios de la cavidad. Esto enfatiza la modulación. Con una cavidad ligeramente asimétrica, la prolongación de la cavidad enfatiza la difracción e incluso la hace inestable para el funcionamiento de onda continua , mientras se mantiene estable para el funcionamiento pulsado .
La longitud del medio utilizado para KLM está limitada por la dispersión de la velocidad del grupo . KLM se utiliza en el control de compensación del sobre del transportista .
El inicio del bloqueo del modelo de lentes Kerr depende de la fuerza del efecto no lineal involucrado. Si el campo láser se acumula en una cavidad, el láser tiene que superar la región de funcionamiento de onda continua , que a menudo se ve favorecida por el mecanismo de bombeo. Esto se puede lograr mediante una lente Kerr muy fuerte que sea lo suficientemente fuerte como para bloquear el modelo debido a pequeños cambios en la intensidad del campo láser (acumulación de campo láser o fluctuaciones estocásticas).
El modelado también se puede iniciar cambiando el enfoque óptimo de la operación de onda continua a la operación pulsada mientras se cambia la densidad de potencia pateando el espejo final de la cavidad del resonador (aunque un espejo final oscilante sincrónico y montado piezo sería más "llave en mano"). '). Otros principios implican diferentes efectos no lineales, como absorbentes saturables y reflectores de Bragg saturables, que inducen pulsos lo suficientemente cortos como para iniciar el proceso de lentes de Kerr.
Los cambios de intensidad con longitudes de nanosegundos se amplifican mediante el proceso de lente de Kerr y la longitud del pulso se reduce aún más para lograr mayores intensidades de campo en el centro del pulso. Este proceso de afilado sólo está limitado por el ancho de banda que se puede conseguir con el material láser y los espejos de cavidad, así como por la dispersión de la cavidad. El pulso más corto que se puede lograr con un espectro determinado se llama pulso de ancho de banda limitado .
La tecnología de espejo chirriado permite compensar el desajuste de sincronización de diferentes longitudes de onda dentro de la cavidad debido a la dispersión del material, manteniendo al mismo tiempo la estabilidad alta y las pérdidas bajas.
El efecto Kerr conduce a la modulación de la lente Kerr y la autofase al mismo tiempo. En una primera aproximación es posible considerarlos como efectos independientes.
Dado que el modelado de lentes Kerr es un efecto que reacciona directamente sobre el campo eléctrico, el tiempo de respuesta es lo suficientemente rápido como para producir pulsos de luz en el visible y el infrarrojo cercano con longitudes de menos de 5 femtosegundos . Gracias a la alta intensidad del campo eléctrico, los rayos láser ultracortos enfocados pueden superar el umbral de 10 14 W cm −2 , lo que supera la intensidad de campo del enlace electrón-ion en los átomos.
Estos pulsos cortos abren el nuevo campo de la óptica ultrarrápida , que es un campo de la óptica no lineal que da acceso a una clase completamente nueva de fenómenos como la medición de los movimientos de los electrones en un átomo (fenómenos de attosegundos), la generación de luz coherente de banda ancha (láseres ultraanchos) y por lo tanto, da lugar a muchas aplicaciones nuevas en detección óptica (por ejemplo, radar láser coherente, tomografía de coherencia óptica de resolución ultraalta ), procesamiento de materiales y otros campos como metrología (mediciones de frecuencia y tiempo extremadamente exactas).