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 Kerr óptico 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 ocurre en los resonadores láser), el índice de refracción cambia a lo largo del perfil del haz; el índice de refracción que experimenta el haz es mayor en el centro del haz que en el borde. Por lo tanto, una varilla de un medio Kerr activo funciona como una lente para la luz de alta intensidad. Esto se denomina autoenfoque y, en casos extremos, conduce a la destrucción del material. En la cavidad del láser, las ráfagas de luz cortas se enfocarán de manera diferente a las ondas continuas.
Para favorecer el modo pulsado sobre la onda continua, la cavidad podría hacerse inestable para el funcionamiento en 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, que significa la superposición entre la región bombeada del medio de ganancia y el pulso. Si bien el efecto de una lente en 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 rayo más pequeño en los espejos finales. Con la lente Kerr adicional, el ancho en el espejo final se vuelve aún más pequeño. Por lo tanto, los espejos finales pequeños (apertura dura) favorecen los pulsos. En los osciladores de Ti: 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 en una fibra de vidrio. Con una lente Kerr adicional, el ancho del rayo se hace más pequeño. 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 de la cara final del cristal con un ancho de rayo mayor y una ligera divergencia. Ilumina un área más pequeña en el espejo cóncavo, lo que genera un ancho de rayo pequeño en el camino hacia el espejo plano. Por lo tanto, la difracción es más fuerte. Debido a la divergencia, la luz proviene efectivamente de un punto más alejado y genera más convergencia después del espejo cóncavo. Esta convergencia se equilibra con la difracción. La luz pulsada sale de la cara final con un ancho de rayo menor y sin divergencia. Por lo tanto, ilumina un área más grande en el espejo cóncavo y es menos convergente después. Por lo tanto, tanto las ondas continuas como los frentes de luz pulsada se reflejan de nuevo 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, prolongar la cavidad enfatiza la difracción e incluso la hace inestable para el funcionamiento de onda continua , mientras que permanece estable para el funcionamiento pulsado .
La longitud del medio utilizado para KLM está limitada por la dispersión de velocidad de grupo . KLM se utiliza en el control de desplazamiento de la envolvente portadora .
La iniciación del bloqueo de modelo por lente 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 es favorecida por el mecanismo de bombeo. Esto se puede lograr mediante un efecto de 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 del campo láser o fluctuaciones estocásticas).
El modelado también se puede iniciar cambiando el foco 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 montado en un piezoeléctrico sería más "llave en mano"). Otros principios involucran diferentes efectos no lineales como absorbedores saturables y reflectores Bragg saturables, que inducen pulsos lo suficientemente cortos para iniciar el proceso de lente Kerr.
Los cambios de intensidad con longitudes de nanosegundos se amplifican mediante el proceso de lente Kerr y la longitud del pulso se reduce aún más para lograr mayores intensidades de campo en el centro del pulso. Este proceso de agudización solo está limitado por el ancho de banda alcanzable con el material del láser y los espejos de cavidad, así como por la dispersión de la cavidad. El pulso más corto alcanzable con un espectro determinado se denomina pulso de ancho de banda limitado .
La tecnología de espejo chirriante permite compensar el desajuste temporal de las diferentes longitudes de onda dentro de la cavidad debido a la dispersión del material, manteniendo al mismo tiempo alta la estabilidad y bajas las pérdidas.
El efecto Kerr produce simultáneamente la modulación de fase propia y de lente Kerr. En una primera aproximación, es posible considerarlos como efectos independientes.
Dado que el modelo de bloqueo de la lente 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 espectro visible e infrarrojo cercano con longitudes de menos de 5 femtosegundos . Debido a la alta intensidad del campo eléctrico, los rayos láser ultracortos enfocados pueden superar el umbral de 10 14 W cm −2 , que supera la intensidad del campo del enlace electrón-ión 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 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 la metrología (mediciones de frecuencia y tiempo extremadamente exactas).