Pulso ultracorto

Pulso láser con una duración de un picosegundo (10^-12 s) o menos

En óptica , un pulso ultracorto , también conocido como evento ultrarrápido , es un pulso electromagnético cuya duración temporal es del orden de un picosegundo (10 ⁻¹² segundos) o menos. Dichos pulsos tienen un espectro óptico de banda ancha y pueden crearse mediante osciladores de modo bloqueado . La amplificación de pulsos ultracortos casi siempre requiere la técnica de amplificación de pulsos chirped , para evitar daños en el medio de ganancia del amplificador.

Se caracterizan por una alta intensidad de pico (o más correctamente, irradiancia ) que suele dar lugar a interacciones no lineales en diversos materiales, incluido el aire. Estos procesos se estudian en el campo de la óptica no lineal .

En la literatura especializada, el término "ultracorto" hace referencia al rango de los femtosegundos (fs) y picosegundos (ps), aunque estos pulsos ya no ostentan el récord de pulsos más cortos generados artificialmente. De hecho, se han descrito pulsos de rayos X con duraciones en la escala de tiempo de los attosegundos .

El Premio Nobel de Química de 1999 fue otorgado a Ahmed H. Zewail por el uso de pulsos ultracortos para observar reacciones químicas en las escalas de tiempo en las que ocurren, ^[1] abriendo el campo de la femtoquímica . Otro premio Nobel, el Premio Nobel de Física de 2023 , también fue otorgado por pulsos ultracortos. Este premio fue otorgado a Pierre Agostini , Ferenc Krausz y Anne L'Huillier por el desarrollo de pulsos de attosegundos y su capacidad para investigar la dinámica electrónica. ^[2]

Definición

Un pulso ultracorto de luz con chirrido positivo en el dominio del tiempo.

No existe una definición estándar de pulso ultracorto. Por lo general, el atributo "ultracorto" se aplica a pulsos con una duración de unas pocas decenas de femtosegundos, pero en un sentido más amplio cualquier pulso que dure menos de unos pocos picosegundos puede considerarse ultracorto. La distinción entre "ultracorto" y "ultrarrápido" es necesaria ya que la velocidad a la que se propaga el pulso es una función del índice de refracción del medio a través del cual viaja, mientras que "ultracorto" se refiere al ancho temporal del paquete de ondas del pulso . ^[3]

Un ejemplo común es un pulso gaussiano chirriante, una onda cuya amplitud de campo sigue una envolvente gaussiana y cuya fase instantánea tiene un barrido de frecuencia .

Fondo

El campo eléctrico real correspondiente a un pulso ultracorto oscila a una frecuencia angular ω ₀ correspondiente a la longitud de onda central del pulso. Para facilitar los cálculos se define un campo complejo E ( t ). Formalmente se define como la señal analítica correspondiente al campo real.

La frecuencia angular central ω ₀ suele escribirse explícitamente en el campo complejo, que puede separarse como una función de intensidad temporal I ( t ) y una función de fase temporal ψ ( t ):

${\displaystyle E(t)={\sqrt {I(t)}}e^{i\omega _{0}t}e^{i\psi (t)}}$

La expresión del campo eléctrico complejo en el dominio de la frecuencia se obtiene a partir de la transformada de Fourier de E ( t ):

${\displaystyle E(\omega )={\mathcal {F}}(E(t))}$

Debido a la presencia del término, E ( ω ) está centrado alrededor de ω ₀ , y es una práctica común referirse a E ( ω - ω ₀ ) escribiendo simplemente E ( ω ), lo que haremos en el resto de este artículo. ${\displaystyle e^{i\omega _{0}t}}$

Al igual que en el dominio del tiempo, en el dominio de la frecuencia se pueden definir una función de intensidad y una función de fase:

${\displaystyle E(\omega )={\sqrt {S(\omega )}}e^{i\phi (\omega )}}$

La cantidad es la densidad espectral de potencia (o simplemente, el espectro ) del pulso, y es la densidad espectral de fase (o simplemente fase espectral ). Un ejemplo de funciones de fase espectral incluye el caso donde es una constante, en cuyo caso el pulso se llama pulso de ancho de banda limitado , o donde es una función cuadrática, en cuyo caso el pulso se llama pulso chirped debido a la presencia de un barrido de frecuencia instantáneo. Tal chirping puede adquirirse cuando un pulso se propaga a través de materiales (como el vidrio) y se debe a su dispersión . Da como resultado un ensanchamiento temporal del pulso. ${\displaystyle S(\omega )}$ ${\displaystyle \phi (\omega )}$ ${\displaystyle \phi (\omega )}$ ${\displaystyle \phi (\omega )}$

Las funciones de intensidad, temporal y espectral , determinan la duración temporal y el ancho de banda espectral del pulso. Como establece el principio de incertidumbre , su producto (a veces llamado producto tiempo-ancho de banda) tiene un límite inferior. Este valor mínimo depende de la definición utilizada para la duración y de la forma del pulso. Para un espectro dado, el producto tiempo-ancho de banda mínimo, y por lo tanto el pulso más corto, se obtiene mediante un pulso limitado por transformada, es decir, para una fase espectral constante . Por otro lado, los valores altos del producto tiempo-ancho de banda indican un pulso más complejo. ${\displaystyle I(t)}$ ${\displaystyle S(\omega )}$ ${\displaystyle \phi (\omega )}$

Control de forma de pulso

Aunque los dispositivos ópticos que también se utilizan para la luz continua, como los expansores de haz y los filtros espaciales, pueden utilizarse para pulsos ultracortos, varios dispositivos ópticos han sido diseñados específicamente para pulsos ultracortos. Uno de ellos es el compresor de pulsos , ^[4] un dispositivo que puede utilizarse para controlar la fase espectral de pulsos ultracortos. Está compuesto por una secuencia de prismas o rejillas. Cuando se ajusta correctamente, puede alterar la fase espectral φ ( ω ) del pulso de entrada de modo que el pulso de salida sea un pulso de ancho de banda limitado con la duración más corta posible. Se puede utilizar un modelador de pulsos para realizar alteraciones más complicadas tanto en la fase como en la amplitud de pulsos ultracortos.

Para controlar con precisión el pulso, es imprescindible una caracterización completa de la fase espectral del pulso para obtener cierta fase espectral del pulso (como la limitada por transformada ). Luego, se puede utilizar un modulador de luz espacial en el plano 4f para controlar el pulso. El escaneo de fase de interferencia intrapulso multifotón (MIIPS) es una técnica basada en este concepto. A través del escaneo de fase del modulador de luz espacial, MIIPS no solo puede caracterizar sino también manipular el pulso ultracorto para obtener la forma de pulso necesaria en el punto objetivo (como el pulso limitado por transformada para una potencia pico optimizada y otras formas de pulso específicas). Si el modelador de pulso está completamente calibrado, esta técnica permite controlar la fase espectral de pulsos ultracortos utilizando una configuración óptica simple sin partes móviles. Sin embargo, la precisión de MIIPS es algo limitada con respecto a otras técnicas, como la compuerta óptica resuelta en frecuencia (FROG). ^[5]

Técnicas de medición

Hay varias técnicas disponibles para medir pulsos ópticos ultracortos.

La autocorrelación de intensidad proporciona el ancho de pulso cuando se asume una forma de pulso particular.

La interferometría espectral (SI) es una técnica lineal que se puede utilizar cuando se dispone de un pulso de referencia precaracterizado. Proporciona la intensidad y la fase. El algoritmo que extrae la intensidad y la fase de la señal SI es directo. La interferometría de fase espectral para reconstrucción directa del campo eléctrico (SPIDER) es una técnica de autorreferencia no lineal basada en la interferometría de cizallamiento espectral. El método es similar a la SI, excepto que el pulso de referencia es una réplica desplazada espectralmente de sí mismo, lo que permite obtener la intensidad espectral y la fase del pulso de sonda a través de una rutina de filtrado FFT directa similar a la SI, pero que requiere la integración de la fase extraída del interferograma para obtener la fase del pulso de sonda.

La compuerta óptica con resolución de frecuencia (FROG) es una técnica no lineal que proporciona la intensidad y la fase de un pulso. Es una autocorrelación con resolución espectral. El algoritmo que extrae la intensidad y la fase de una traza FROG es iterativo. La observación sin tonterías de campos eléctricos de luz láser incidente ultrarrápida mediante eliminación de rejillas ( GRENOUILLE ) es una versión simplificada de FROG. ( Grenouille es la palabra francesa para " rana ").

El escaneo chirp es una técnica similar a MIIPS que mide la fase espectral de un pulso aplicando una rampa de fases espectrales cuadráticas y midiendo espectros de segundo armónico. Con respecto a MIIPS, que requiere muchas iteraciones para medir la fase espectral, solo se necesitan dos escaneos chirp para recuperar tanto la amplitud como la fase del pulso. ^[6]

El escaneo de fase de interferencia intrapulso multifotón (MIIPS) es un método para caracterizar y manipular el pulso ultracorto.

Propagación de paquetes de ondas en medios no isotrópicos

Para reiterar parcialmente la discusión anterior, la aproximación de envolvente de variación lenta (SVEA) del campo eléctrico de una onda con vector de onda central y frecuencia central del pulso, está dada por: ${\displaystyle {\textbf {K}}_{0}}$ ${\displaystyle \omega _{0}}$

${\displaystyle {\textbf {E}}({\textbf {x}},t)={\textbf {A}}({\textbf {x}},t)\exp(i{\textbf {K}}_{0}{\textbf {x}}-i\omega _{0}t)}$

Consideramos la propagación de la SVEA del campo eléctrico en un medio homogéneo dispersivo no isotrópico. Suponiendo que el pulso se propaga en la dirección del eje z, se puede demostrar que la envolvente para uno de los casos más generales, es decir, un cristal biaxial, está gobernada por la PDE : ^[7] ${\displaystyle {\textbf {A}}}$

${\displaystyle {\frac {\partial {\textbf {A}}}{\partial z}}=~-~\beta _{1}{\frac {\partial {\textbf {A}}}{\partial t}}~-~{\frac {i}{2}}\beta _{2}{\frac {\partial ^{2}{\textbf {A}}}{\partial t^{2}}}~+~{\frac {1}{6}}\beta _{3}{\frac {\partial ^{3}{\textbf {A}}}{\partial t^{3}}}~+~\gamma _{x}{\frac {\partial {\textbf {A}}}{\partial x}}~+~\gamma _{y}{\frac {\partial {\textbf {A}}}{\partial y}}}$

${\displaystyle ~~~~~~~~~~~~+~i\gamma _{tx}{\frac {\partial ^{2}{\textbf {A}}}{\partial t\partial x}}~+~i\gamma _{ty}{\frac {\partial ^{2}{\textbf {A}}}{\partial t\partial y}}~-~{\frac {i}{2}}\gamma _{xx}{\frac {\partial ^{2}{\textbf {A}}}{\partial x^{2}}}~-~{\frac {i}{2}}\gamma _{yy}{\frac {\partial ^{2}{\textbf {A}}}{\partial y^{2}}}~+~i\gamma _{xy}{\frac {\partial ^{2}{\textbf {A}}}{\partial x\partial y}}+\cdots }$

donde los coeficientes contienen efectos de difracción y dispersión que se han determinado analíticamente con álgebra computacional y verificado numéricamente hasta el tercer orden para medios isotrópicos y no isotrópicos, válidos en el campo cercano y el campo lejano. es la inversa de la proyección de velocidad de grupo. El término en es la dispersión de velocidad de grupo (GVD) o dispersión de segundo orden; aumenta la duración del pulso y hace chirriar el pulso a medida que se propaga a través del medio. El término en es un término de dispersión de tercer orden que puede aumentar aún más la duración del pulso, incluso si se desvanece. Los términos en y describen el desplazamiento del pulso; el coeficiente es la relación entre el componente de la velocidad de grupo y el vector unitario en la dirección de propagación del pulso (eje z). Los términos en y describen la difracción del paquete de ondas ópticas en las direcciones perpendiculares al eje de propagación. Los términos en y que contienen derivadas mixtas en el tiempo y el espacio rotan el paquete de ondas sobre los ejes y , respectivamente, aumentan el ancho temporal del paquete de ondas (además del aumento debido a la GVD), aumentan la dispersión en las direcciones y , respectivamente, y aumentan el chirrido (además del debido a ) cuando el último y/o y no son nulos. El término rota el paquete de ondas en el plano. Curiosamente, debido a expansiones incompletas anteriores, esta rotación del pulso no se realizó hasta fines de la década de 1990, pero se ha confirmado experimentalmente . ^[8] Hasta el tercer orden, se encuentra que el lado derecho de la ecuación anterior tiene estos términos adicionales para el caso de cristal uniaxial: ^[9] ${\displaystyle \beta _{1}}$ ${\displaystyle \beta _{2}}$ ${\displaystyle \beta _{3}}$ ${\displaystyle \beta _{2}}$ ${\displaystyle \gamma _{x}}$ ${\displaystyle \gamma _{y}}$ ${\displaystyle \gamma _{x}~(\gamma _{y})}$ ${\displaystyle x~(y)}$ ${\displaystyle \gamma _{xx}}$ ${\displaystyle \gamma _{yy}}$ ${\displaystyle \gamma _{tx}}$ ${\displaystyle \gamma _{ty}}$ ${\displaystyle y}$ ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle y}$ ${\displaystyle \beta _{2}}$ ${\displaystyle \gamma _{xx}}$ ${\displaystyle \gamma _{yy}}$ ${\displaystyle \gamma _{xy}}$ ${\displaystyle x-y}$

${\displaystyle \cdots ~+~{\frac {1}{3}}\gamma _{txx}{\frac {\partial ^{3}{\textbf {A}}}{\partial x^{2}\partial t}}~+~{\frac {1}{3}}\gamma _{tyy}{\frac {\partial ^{3}{\textbf {A}}}{\partial y^{2}\partial t}}~+~{\frac {1}{3}}\gamma _{ttx}{\frac {\partial ^{3}{\textbf {A}}}{\partial t^{2}\partial x}}+\cdots }$

El primer y segundo término son responsables de la curvatura del frente de propagación del pulso. Estos términos, incluido el término en, están presentes en un medio isótropo y explican la superficie esférica de un frente de propagación que se origina a partir de una fuente puntual. El término se puede expresar en términos del índice de refracción, la frecuencia y sus derivadas, y el término también distorsiona el pulso, pero de una manera que invierte los roles de y (consulte la referencia de Trippenbach, Scott y Band para obtener más detalles). Hasta ahora, el tratamiento aquí es lineal, pero los términos dispersivos no lineales son omnipresentes en la naturaleza. Los estudios que involucran un término no lineal adicional han demostrado que dichos términos tienen un efecto profundo en el paquete de ondas, que incluye, entre otras cosas, un autoempinamiento del paquete de ondas. ^[10] Los aspectos no lineales eventualmente conducen a solitones ópticos . ${\displaystyle \beta _{3}}$ ${\displaystyle \gamma _{txx}}$ ${\displaystyle \omega }$ ${\displaystyle \gamma _{ttx}}$ ${\displaystyle t}$ ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle \gamma _{nl}|A|^{2}A}$

A pesar de ser bastante común, no se requiere que la SVEA formule una ecuación de onda simple que describa la propagación de pulsos ópticos. De hecho, como se muestra en ^[11] , incluso una forma muy general de la ecuación de onda electromagnética de segundo orden se puede factorizar en componentes direccionales, lo que proporciona acceso a una única ecuación de onda de primer orden para el campo en sí, en lugar de una envolvente. Esto requiere solo una suposición de que la evolución del campo es lenta en la escala de una longitud de onda y no restringe el ancho de banda del pulso en absoluto, como se demuestra vívidamente en ^{[12] .}

Armónicos altos

Se pueden generar pulsos ultracortos de alta energía mediante la generación de armónicos elevados en un medio no lineal . Un pulso ultracorto de alta intensidad generará una serie de armónicos en el medio; luego se selecciona un armónico de interés particular con un monocromador . Esta técnica se ha utilizado para producir pulsos ultracortos en los regímenes de rayos X suaves y ultravioleta extremo a partir de pulsos láser de zafiro de titanio en el infrarrojo cercano .

Aplicaciones

Microprocesamiento y nanoprocesamiento 3D de materiales avanzados

La capacidad de los láseres de femtosegundos para fabricar de manera eficiente estructuras y dispositivos complejos para una amplia variedad de aplicaciones ha sido ampliamente estudiada durante la última década. Las técnicas de procesamiento láser de última generación con pulsos de luz ultracortos se pueden utilizar para estructurar materiales con una resolución submicrométrica. La escritura láser directa (DLW) de fotorresistencias adecuadas y otros medios transparentes puede crear intrincados cristales fotónicos tridimensionales (PhC), componentes microópticos, rejillas, andamios de ingeniería de tejidos (TE) y guías de ondas ópticas. Estas estructuras son potencialmente útiles para potenciar las aplicaciones de próxima generación en telecomunicaciones y bioingeniería que dependen de la creación de piezas en miniatura cada vez más sofisticadas. La precisión, la velocidad de fabricación y la versatilidad del procesamiento láser ultrarrápido lo posicionan bien para convertirse en una herramienta industrial vital para la fabricación. ^[13]

Micromecanizado

Entre las aplicaciones del láser de femtosegundo, se ha experimentado la microtexturización de superficies de implantes para mejorar la formación ósea alrededor de implantes dentales de zirconio. La técnica demostró ser precisa con un daño térmico muy bajo y con la reducción de los contaminantes de la superficie. Estudios posteriores en animales demostraron que el aumento de la capa de oxígeno y las micro y nanocaracterísticas creadas por la microtexturización con láser de femtosegundo dieron como resultado tasas más altas de formación ósea, mayor densidad ósea y mejor estabilidad mecánica. ^{[14] [15] [16]}

Polimerización multifotónica

La polimerización multifotónica (MPP) se destaca por su capacidad de fabricar estructuras a escala micro y nanométrica con una precisión excepcional. Este proceso aprovecha la potencia concentrada de los láseres de femtosegundos para iniciar reacciones de fotopolimerización altamente controladas, creando construcciones tridimensionales detalladas. ^[17] Estas capacidades hacen que la MPP sea esencial para crear geometrías complejas para aplicaciones biomédicas, incluida la ingeniería de tejidos y la fabricación de microdispositivos, lo que resalta la versatilidad y precisión de los láseres de pulsos ultracortos en procesos de fabricación avanzados.

Véase también

• Cronoscopia de attosegundos
• Pulso de ancho de banda limitado
• Femtoquímica
• Peine de frecuencia
• Imágenes médicas : Los pulsos láser ultracortos se utilizan en microscopios de fluorescencia multifotónica
• Comunicación óptica (Pulsos ultracortos) Filtrado y Conformado de Pulsos.
• Generación y detección de terahercios (rayos T).
• Espectroscopia láser ultrarrápida
• Láser de pulso ultracorto
• Paquete de ondas

Referencias

1. "El Premio Nobel de Química 1999". NobelPrize.org . Consultado el 18 de octubre de 2023 .
2. "El Premio Nobel de Física 2023". NobelPrize.org . Consultado el 18 de octubre de 2023 .
3. Paschotta, Rüdiger. "Enciclopedia de física y tecnología láser: pulsos ultracortos, femtosegundos, láser". www.rp-photonics.com .
4. JC Diels, Láseres de colorante de femtosegundo, en Dye Laser Principles , FJ Duarte y LW Hillman (Eds.) (Academic, Nueva York, 1990) Capítulo 3.
5. Comin, Alberto; Rhodes, Michelle; Ciesielski, Richard; Trebino, Rick; Hartschuh, Achim (2015). "Caracterización de pulsos en microscopía ultrarrápida: una comparación de FROG, MIIPS y G-MIIPS". Cleo: 2015 . pp. SW1H.5. doi :10.1364/CLEO_SI.2015.SW1H.5. ISBN 978-1-55752-968-8. Número de identificación del sujeto  23655339.
6. Loriot, Vincent; Gitzinger, Gregory; Forget, Nicolas (2013). "Caracterización autorreferenciada de pulsos láser de femtosegundos mediante escaneo chirp". Optics Express . 21 (21): 24879–93. Bibcode :2013OExpr..2124879L. doi : 10.1364/OE.21.024879 . ISSN  1094-4087. PMID  24150331.
7. Band, YB; Trippenbach, Marek (1996). "Propagación de paquetes de ondas ópticas en medios no isotrópicos". Physical Review Letters . 76 (9): 1457–1460. Bibcode :1996PhRvL..76.1457B. doi :10.1103/PhysRevLett.76.1457. PMID  10061728.
8. Radzewicz, C.; Krasinski, JS; La Grone, MJ; Trippenbach, M.; Band, YB (1997). "Medición interferométrica de la inclinación de paquetes de ondas de femtosegundos en cristales de rutilo". Journal of the Optical Society of America B . 14 (2): 420. Bibcode :1997JOSAB..14..420R. doi :10.1364/JOSAB.14.000420.
9. Trippenbach, Marek; Scott, TC; Band, YB (1997). "Propagación de haces y pulsos en medios dispersivos en campo cercano y campo lejano" (PDF) . Optics Letters . 22 (9): 579–81. Bibcode :1997OptL...22..579T. doi :10.1364/OL.22.000579. PMID  18185596.
10. Trippenbach, Marek; Band, YB (1997). "Dinámica de la división de pulsos cortos en medios no lineales dispersivos". Physical Review A . 56 (5): 4242–4253. Bibcode :1997PhRvA..56.4242T. doi :10.1103/PhysRevA.56.4242.
11. Kinsler, Paul (2010). "Propagación de pulsos ópticos con aproximaciones mínimas". Physical Review A . 81 (1): 013819. arXiv : 0810.5689 . Código Bibliográfico :2010PhRvA..81a3819K. doi :10.1103/PhysRevA.81.013819. ISSN  1050-2947.
12. Genty, G.; Kinsler, P.; Kibler, B.; Dudley, JM (2007). "Modelado de ecuaciones de envolvente no lineal de dinámica de subciclo y generación de armónicos en guías de onda no lineales". Optics Express . 15 (9): 5382–7. Bibcode :2007OExpr..15.5382G. doi : 10.1364/OE.15.005382 . ISSN  1094-4087. PMID  19532792.
13. Malinauskas, Mangirdas; Žukauskas, Albertas; Hasegawa, Satoshi; Hayasaki, Yoshio; Mizeikis, Vygantas; Buividas, Ričardas; Juodkazis, Saulius (2016). "Procesamiento láser ultrarrápido de materiales: de la ciencia a la industria". Luz: ciencia y aplicaciones . 5 (8): e16133. Código Bib : 2016LSA.....5E6133M. doi :10.1038/lsa.2016.133. ISSN  2047-7538. PMC 5987357 . PMID  30167182. 
14. Delgado-Ruíz, RA; Calvo-Guirado, JL; Moreno, P.; Guardia, J.; Gómez-Moreno, G.; Mate-Sánchez, JE; Ramírez-Fernández, P.; Chiva, F. (2011). "Microestructuración con láser de femtosegundo de implantes dentales de circonio". Revista de investigación de materiales biomédicos Parte B: Biomateriales aplicados . 96B (1): 91-100. doi : 10.1002/jbm.b.31743. ISSN  1552-4973. PMID  21061361.
15. Calvo Guirado et al, 2013 y 2014
16. Delgado-Ruiz et al, 2014)
17. "Polimerización multifotónica". www.litilit.com . Consultado el 2 de abril de 2024 .

Lectura adicional

• Hirlimann, C. (2004). "Óptica pulsada". En Rullière, Claude (ed.). Pulsos láser de femtosegundos: principios y experimentos (2.ª ed.). Nueva York: Springer. ISBN 0-387-01769-0.
• Andrew M. Weiner (2009). Óptica ultrarrápida. Hoboken, Nueva Jersey: Wiley. ISBN 978-0-471-41539-8.
• JC Diels y W. Rudolph (2006). Fenómenos de pulsos láser ultracortos . Nueva York, Academic. ISBN 978-0-12-215493-5.

Enlaces externos

• El laboratorio virtual de femtosegundos Lab2
• Animación sobre la propagación de pulsos cortos en un medio aleatorio (YouTube)
• Láseres ultrarrápidos: una guía animada sobre el funcionamiento de los láseres y amplificadores de Ti:zafiro.