Un espejo chirriado es un espejo dieléctrico con espacios chirriados (espacios de profundidad variable diseñados para reflejar diferentes longitudes de onda de luces) entre las capas dieléctricas (pila).
Los espejos chirriados se utilizan en aplicaciones como láseres para reflejar una gama más amplia de longitudes de onda de luz que los espejos dieléctricos ordinarios, o para compensar la dispersión de longitudes de onda que pueden crear algunos elementos ópticos. [1] Los espejos chirriantes también se encuentran en sistemas biológicos estructuralmente coloreados , [2] incluido el color dorado y plateado brillante de los élitros de ciertos escarabajos , por ejemplo, los del género Ruteline Chrysina . En estos casos, el espejo chirriado genera colores complejos (como oro o plata) cuando se ilumina con luz blanca reflejando simultáneamente una amplia gama de colores monocromáticos .
Un espejo dieléctrico ordinario está hecho para reflejar una única frecuencia de luz. El espejo dieléctrico está hecho de materiales transparentes que están distribuidos uniformemente en capas a una profundidad de 1/4 de la longitud de onda de la luz que el espejo dieléctrico está diseñado para reflejar. Además, los coeficientes de reflexión de amplitud de las interfaces tienen signos alternos, por lo que todos los componentes reflejados de las interfaces interfieren constructivamente, lo que resulta en una fuerte reflexión para la longitud de onda diseñada. El espejo dieléctrico es transparente a otras longitudes de onda de luz, excepto aquellas en una banda muy estrecha alrededor de la longitud de onda para la que está diseñado.
Se hace un espejo chirriante para reflejar una gama más amplia de frecuencias. Esto se hace creando capas con diferentes profundidades. Puede haber 10 capas con una profundidad diseñada para reflejar una determinada longitud de onda de luz, otras 10 capas con una profundidad ligeramente mayor para reflejar una longitud de onda de luz ligeramente más larga, y así sucesivamente para todo el rango de longitudes de onda de luz que el espejo está diseñado para reflejar. . El resultado es un espejo que puede reflejar una amplia gama de longitudes de onda de luz en lugar de una única banda estrecha de longitudes de onda.
Debido a que la luz reflejada desde las capas más profundas del espejo viaja una distancia más larga que la luz que se refleja en las capas superficiales, se puede diseñar un espejo con chirrido para cambiar los tiempos relativos de los frentes de onda de diferentes longitudes de onda que se reflejan en él. Esto se puede utilizar, por ejemplo, para dispersar un pulso de luz de diferentes longitudes de onda que llega todo al mismo tiempo o para apretar un pulso de luz donde diferentes longitudes de onda llegan dispersas en el tiempo.
Esta capacidad de apretar o empaquetar más estrechamente un pulso de luz de diferentes longitudes de onda es importante, porque algunos elementos ópticos comúnmente utilizados dispersan naturalmente un paquete de luz según la longitud de onda, un fenómeno conocido como dispersión cromática . Se puede diseñar un espejo chirriado para compensar la dispersión cromática creada por otros elementos ópticos en un sistema.
Esta es una explicación simplificada y omite algunas consideraciones técnicas importantes pero más complejas.
Para espejos dieléctricos, materiales con un índice de refracción entre aprox. 1.5 y 2.2 están disponibles. La amplitud de la reflexión de Fresnel es de aproximadamente 0,2. Con 10 capas se refleja aproximadamente el 0,99 de la amplitud de la luz (es decir, el 0,98 de la intensidad de la luz). Entonces, si un espejo chirriante determinado tiene 60 capas, la luz de una frecuencia específica interactúa solo con una sexta parte de toda la pila.
El reflejo de la primera superficie equivale a un reflejo temprano con un chirrido inalterado. Esto se evita reservando algunas capas para un revestimiento antirreflectante . En un caso sencillo esto se hace con una sola capa de MgF 2 (que tiene un índice de refracción de 1,38 en el infrarrojo cercano). El ancho de banda es grande, pero ni una octava. A medida que la incidencia varía desde lo normal hasta el ángulo de Brewster , la luz polarizada p se refleja cada vez menos. Para eliminar los reflejos residuales de la superficie en el caso de múltiples espejos, la distancia entre la superficie y la pila es diferente para cada espejo.
Ingenuamente, uno podría pensar que el chirrido comienza fuera del rango de longitud de onda deseado, y cualquier longitud de onda dentro del rango experimenta una resonancia completa que aparece y desaparece. Un cálculo detallado (referencias en el enlace externo) muestra que la reflectividad del espejo también debe ser chirriada, lo que se puede hacer asignando la media longitud de onda de manera desigual entre las zonas de índice alto y bajo. Estos se llaman espejos de doble chirrido.
En los láseres de zafiro Ti que emplean bloqueo de modelos de lentes Kerr , a menudo se utilizan espejos chirriados como único medio para compensar las variaciones de retardo de grupo. Teniendo en cuenta los números anteriores, un solo espejo puede compensar una longitud de trayectoria óptica de 4 μm. Teniendo en cuenta la velocidad del grupo, esto es suficiente para los 3 m de aire dentro de la cavidad, para los 3 mm de Ti:cristal de zafiro se necesitan tres espejos más, de modo que ya se puede compensar una simple cavidad Z.
Por otro lado, la ganancia del cristal de aproximadamente 1,1, que es lo suficientemente alta como para compensar la pérdida de 8 espejos, lo que da más grados de libertad en la compensación del retardo del grupo. Lo más crítico para pulsos cortos es que los componentes de frecuencia fuera del rango de ganancia del cristal generados indirectamente por la modulación de fase propia no se pierden a través de los espejos finales o plegables, sino que se transmiten a través del espejo desacoplado. [3] En una especie de decisión por mayoría, los modos del láser deciden qué grupo de retardo elegir, y los componentes espectrales cercanos a este retardo se enfatizan en la salida. Debido a las ondulaciones en la compensación, el espectro también tiene ondulaciones.
Una sola pila refleja entre 780 nm y 800 nm. El espejo chirriado con 6 veces las capas puede ser reflectante de 730 nm a 850 nm. La ganancia de Ti:Sa es mayor que una entre 600 nm y 1200 nm. Para reflejar este ancho de banda se deben aceptar pérdidas mayores. En la amplificación de pulso Chirped, estos espejos se utilizan para corregir variaciones residuales del retardo de grupo después de que se inserta un compresor de rejilla en el sistema.
La especie de escarabajo Chrysina limbata refleja cerca del 97% de la luz en todo el rango de longitud de onda visible. Esto se logra con un espejo chirriado hecho de capas de quitina . Su exoesqueleto de quitina consta de muchas capas, el grosor de cada capa cambia con la profundidad, lo que cambia la longitud del camino óptico y produce un espejo chirriante. Cada capa chirriada está sintonizada con una longitud de onda de luz diferente. [4] [5]