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 láser se produzca como un tren de pulsos. Entonces se dice que el láser está "enclavado en fase" o "en modo bloqueado".
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 o rango de frecuencias natural. El ancho de banda de operación de un láser está determinado principalmente por el medio de ganancia a partir del cual se construye el láser, y el rango de frecuencias sobre las cuales puede operar un láser se conoce como ancho de banda de ganancia. Por ejemplo, un láser típico de helio-neón tiene un ancho de banda de ganancia de aproximadamente 1,5 GHz (un rango de longitud de onda de aproximadamente 0,002 nm a 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 para determinar las frecuencias de emisión de un láser es la cavidad óptica (o cavidad resonante) del láser. En el caso más simple, consta de dos espejos planos (planos) uno frente al otro, que rodean el medio de ganancia del láser (esta disposición se conoce como cavidad de Fabry-Pérot ). Dado que la luz es una onda , cuando rebota entre los espejos de la cavidad, la luz interfiere de manera constructiva y destructiva consigo misma, lo que lleva a la formación de ondas estacionarias , o modos , entre los espejos. Estas ondas estacionarias forman un conjunto discreto de frecuencias, conocidos como modos longitudinales de la cavidad. Estos modos son las únicas frecuencias de luz que se autorregeneran y a las que la cavidad resonante les permite oscilar; todas las demás frecuencias de la luz son suprimidas por interferencias destructivas. Para una cavidad plana-espejo 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 número entero conocido como el 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 más interés es la separación de frecuencia entre dos modos adyacentes q y q + 1; esto viene dado (para un resonador lineal vacío de longitud L ) por Δ ν :
donde c es la velocidad de la luz (≈ 3×10 8 m/s).
Usando 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 de HeNe admitiría hasta 3 modos longitudinales, mientras que el ancho de banda de 128 THz del láser de 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 sólo se excita un modo longitudinal, se dice que el láser está en funcionamiento "modo único".
Cada modo longitudinal individual tiene un ancho de banda o un rango estrecho de frecuencias sobre las cuales opera, pero típicamente este ancho de banda, determinado por el factor Q de la cavidad (ver 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 tales como cambios térmicos en los materiales del láser. En láseres con sólo unos pocos modos de oscilación, la interferencia entre los modos puede provocar efectos de latido en la salida del láser, lo que provoca 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 de forma independiente, cada modo opera con una fase fija entre él y los otros modos, 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 de forma constructiva entre sí, 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 ocurren 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 a la separación 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 sincronizados en fase). Si hay N modos bloqueados con una separación de frecuencia Δ ν , el ancho de banda total del modo bloqueado 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 amplitud exacta y la relación de 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 viene dada por
El valor 0,441 se conoce como " producto tiempo-ancho de banda " del pulso y varía según la forma del pulso. Para los láseres de pulso ultracorto , a menudo se asume una forma de pulso hiperbólico-secante -cuadrado (sech 2 ), lo que da un producto tiempo-ancho de banda de 0,315.
Usando esta ecuación, la duración mínima del pulso se puede calcular de manera consistente con el ancho espectral del láser medido. Para el láser de HeNe con un ancho de banda de 1,5 GHz, el pulso gaussiano más corto compatible con este ancho espectral sería de alrededor de 300 picosegundos; para el láser Ti:zafiro de ancho de banda de 128 THz, este ancho espectral correspondería a un pulso de sólo 3,4 femtosegundos de duración. Estos valores representan los pulsos gaussianos más cortos posibles consistentes con el ancho de banda del láser; En un láser de 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 la duración del impulso de dicho láser; sin embargo, la anchura espectral medida aumentaría correspondientemente.
Hay muchas formas de bloquear la frecuencia, pero el principio básico es el mismo que se basa en el circuito de retroalimentación del sistema láser. El punto de partida del circuito de retroalimentación es la cantidad que debe estabilizarse (frecuencia o fase). Para comprobar si la frecuencia cambia con el tiempo o no, se necesita una referencia. Una forma común de medir la frecuencia del láser es vincularla con la propiedad geométrica de una cavidad óptica. La cavidad de Fabry-Perot es la más utilizada para este propósito y consta de dos espejos paralelos separados por cierta distancia. Este método se basa en el hecho de que la luz puede resonar y transmitirse sólo si la longitud del camino 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 del láser respecto de esta condición disminuirá la transmisión de frecuencia. La relación entre transmisión y desviación de frecuencia viene dada por una función de Lorentz con un ancho completo y la mitad del ancho máximo de línea.
donde es la diferencia de frecuencia entre resonancias adyacentes (es decir, el rango espectral libre) y es la delicadeza ,
¿Dónde está la reflectividad de los espejos? Como se desprende claramente de la ecuación, para obtener un ancho de línea de cavidad pequeño, los espejos deben tener una mayor reflectividad. Por lo tanto, para reducir al mínimo el ancho de la línea del láser, se requiere una cavidad de alta delicadeza.
Los métodos para producir bloqueo de modo en un láser pueden clasificarse como "activos" o "pasivos". Los métodos activos normalmente implican el uso de una señal externa para inducir una modulación de la luz intracavidad. Los métodos pasivos no utilizan una señal externa, sino que se basan en colocar 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 del 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 está modulado en amplitud a una frecuencia f , 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 espaciado de modo de cavidad Δ ν , entonces estas bandas laterales corresponden a los dos modos de cavidad adyacentes al modo original. Dado que las bandas laterales funcionan en fase, el modo central y los modos adyacentes estarán sincronizados en fase. El funcionamiento adicional del modulador en las bandas laterales produce el 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 tanto, es necesario que varios modos determinen 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, lo que conduce a un comportamiento complicado y a impulsos no limpios. El acoplamiento sólo 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, atenuando la luz cuando está "cerrada" y dejándola pasar cuando está "abierta". Si la velocidad de modulación f está sincronizada con el tiempo de ida y vuelta de la cavidad τ , entonces un único pulso de luz rebotará hacia adelante y hacia atrás en la cavidad. La fuerza 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 acciona con una señal eléctrica, induce un pequeño cambio de frecuencia que varía de forma sinusoidal en la luz que lo atraviesa. Si la frecuencia de modulación coincide con el tiempo de ida y vuelta de la cavidad, entonces algo de luz en la cavidad ve repetidos cambios ascendentes en la frecuencia y algunos repetidos cambios descendentes. Después de muchas repeticiones, la luz aumentada y reducida es barrida 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 de luz estrecho.
El tercer método de bloqueo del modo activo es el bloqueo del modo sincrónico o bombeo sincrónico. En esto, la fuente de bombeo (fuente de energía) para el láser se modula, encendiendo y apagando efectivamente el láser para producir pulsos. Normalmente, la fuente de la bomba es en sí misma otro láser de modo bloqueado. Esta técnica requiere hacer coincidir con precisión las longitudes de las cavidades 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 conducción de un modulador) para producir pulsos. Más bien, utilizan la luz en la cavidad para provocar un cambio en algún elemento intracavitario, que luego producirá por sí mismo un cambio en la luz intracavitaria. Un dispositivo comúnmente utilizado para lograr esto es un absorbente saturable .
Un absorbente saturable es un dispositivo óptico que exhibe una transmisión dependiente de la intensidad, lo que significa que el dispositivo se comporta de manera diferente dependiendo de la intensidad de la luz que lo atraviesa. Para el bloqueo en modo pasivo, lo ideal es que un absorbente saturable absorba selectivamente luz de baja intensidad, pero transmita luz de intensidad suficientemente alta. Cuando se coloca en una cavidad láser, un absorbente 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 modo bloqueado, cualquier pico intenso y aleatorio se transmite preferentemente a través del absorbente 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 la absorción de la luz de baja intensidad. Después de muchos viajes de ida y vuelta, esto conduce a una serie de pulsos y a un 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 , 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 del modo activo, pero tiene problemas de inicio.
Los absorbentes saturables suelen ser tintes orgánicos líquidos , pero también pueden fabricarse a partir de cristales y semiconductores dopados . Los absorbentes semiconductores tienden a exhibir tiempos de respuesta muy rápidos (~100 fs), que es uno de los factores que determina la duración final de los pulsos en un láser de modo bloqueado pasivamente. En un láser bloqueado en modo de pulso en colisión, el absorbente intensifica el borde de ataque, mientras que el medio láser intensifica 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 componentes intracavidad para proporcionar un método para amplificar selectivamente la luz de alta intensidad en la cavidad y atenuar la luz de baja intensidad. Uno de los esquemas más exitosos se llama bloqueo de modo de lente Kerr (KLM), también llamado a veces "bloqueo de modo automático". Para ello se utiliza un proceso óptico no lineal, el efecto óptico Kerr , que da como resultado que la luz de alta intensidad se enfoque de forma diferente a la luz de baja intensidad. Mediante una disposición cuidadosa de una abertura en la cavidad del láser, este efecto se puede aprovechar para producir el equivalente de un absorbente saturable con tiempo de respuesta ultrarrápido.
En algunos láseres semiconductores se puede utilizar una combinación de las dos técnicas anteriores. Usando un láser con un absorbente saturable y modulando la inyección eléctrica a la misma frecuencia en la que está bloqueado el láser, el láser puede estabilizarse mediante la inyección eléctrica. Esto tiene la ventaja de estabilizar el ruido de fase del láser y puede reducir la fluctuación de sincronización de los pulsos del láser.
También se ha observado una transferencia coherente de información de fase entre pulsos láser posteriores a partir de láseres de nanocables . Aquí, la información de fase se ha almacenado en el campo de fotones residuales de oscilaciones Rabi coherentes en la cavidad. Estos hallazgos abren el camino al bloqueo de fase de fuentes de luz integradas en aplicaciones y circuitos fotónicos a escala de chip, 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 con barrido de 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 de modo bloqueado. Los más importantes son la dispersión global del resonador óptico del láser , que puede controlarse con un compresor de prisma 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 del 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 tipo solitón pueden estabilizar el bloqueo del modo y ayudar a generar pulsos más cortos. La duración de pulso más corta posible generalmente se logra para una dispersión cero (sin no linealidades) o para una dispersión ligeramente negativa (anómala) (explotando el mecanismo del solitón).
Los pulsos ópticos más cortos producidos directamente son generalmente producidos por láseres de zafiro de Ti bloqueados en modo de lente Kerr y tienen una duración de alrededor de 5 femtosegundos. Alternativamente, se crean pulsos amplificados de una duración similar mediante la compresión de pulsos más largos (por ejemplo, 30 fs) mediante modulación de autofase 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 Ti:zafiro), por lo tanto, los pulsos más cortos requieren pasar a longitudes de onda más cortas. Se pueden utilizar algunas técnicas avanzadas (que implican la generación de altos armónicos con pulsos de láser de femtosegundos amplificados) para producir características ópticas con duraciones tan cortas como 100 attosegundos en la región espectral ultravioleta extrema (es decir, <30 nm). Otros logros, importantes particularmente para aplicaciones láser , se refieren al desarrollo de láseres de modo bloqueado que pueden bombearse con diodos láser , pueden generar potencias de salida promedio muy altas (decenas de vatios) en pulsos de subpicosegundos o generar trenes de pulsos con velocidades extremadamente altas. velocidades de repetición de muchos GHz.
Las duraciones de pulso inferiores a aproximadamente 100 fs son demasiado cortas para medirse directamente utilizando técnicas optoelectrónicas (es decir, fotodiodos ) y, por lo tanto, métodos indirectos, como la autocorrelación , la puerta óptica resuelta en frecuencia , la interferometría de fase espectral para la reconstrucción directa del campo eléctrico o la interferencia multifotónica intrapulso. Se utilizan escaneos de fase .
La luz monocromática es propiedad del láser y depende del principio de funcionamiento fundamental del láser, que contiene elementos selectivos de frecuencia. Por ejemplo, en el láser de diodo , el resonador del espejo externo y la rejilla 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. Su origen puede deberse a diferentes motivos, por ejemplo, fluctuaciones en la tensión de entrada, vibraciones acústicas o cambios en la presión y temperatura del entorno. Por lo tanto, para reducir estas fluctuaciones de frecuencia, es necesario estabilizar la fase o frecuencia del láser en una medida externa. La estabilización de la propiedad del láser utilizando cualquier fuente externa o referencia externa generalmente se denomina "bloqueo láser" o simplemente "bloqueo".
El motivo de la generación para crear señales de error es crear una señal electrónica que sea proporcional a la desviación del láser de una frecuencia o fase determinada en particular, que se denomina "punto de bloqueo". Si la frecuencia del láser es grande entonces la señal es positiva, si la frecuencia es muy pequeña entonces la señal es negativa. El punto donde la señal es cero se llama punto de bloqueo. El bloqueo del láser basado en una señal de error que es función de la frecuencia se denomina bloqueo de frecuencia y si la señal de error es función de la desviación de fase del láser, entonces este bloqueo se denomina bloqueo de fase del láser. Si la señal se crea utilizando una configuración óptica que involucra referencias como referencias de frecuencia. Utilizando la referencia, la señal óptica se convierte directamente en sobrefrecuencias que pueden detectarse directamente. La otra forma es registrar la señal usando un fotodiodo o una cámara y cambiar esta señal electrónicamente.
