Un espejo con chirridos es un espejo dieléctrico con espacios con chirridos (espacios de profundidad variable diseñados para reflejar distintas longitudes de onda de luz) entre las capas dieléctricas (pila).
Los espejos chirped se utilizan en aplicaciones como los láseres para reflejar un rango más amplio de longitudes de onda de luz que los espejos dieléctricos ordinarios, o para compensar la dispersión de longitudes de onda que pueden ser creadas por algunos elementos ópticos. [1] Los espejos chirped también se encuentran en sistemas biológicos estructuralmente coloreados , [2] incluyendo el color dorado y plateado brillante de los élitros de ciertos escarabajos , por ejemplo los del género Ruteline Chrysina . En estos casos, el espejo chirped genera un color complejo (como el dorado o el plateado) cuando se ilumina con luz blanca al reflejar simultáneamente un amplio rango 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 se colocan 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 para las interfaces tienen signos alternos, por lo tanto, todos los componentes reflejados de las interfaces interfieren de manera constructiva, lo que da como resultado una fuerte reflexión para la longitud de onda diseñada. El espejo dieléctrico es transparente a otras longitudes de onda de luz, excepto a aquellas en una banda muy estrecha alrededor de la longitud de onda que está diseñado para reflejar.
Un espejo con efecto chirrido está diseñado para reflejar una gama más amplia de frecuencias. Esto se logra 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 toda la gama de longitudes de onda de luz que el espejo está diseñado para reflejar. El resultado es un espejo que puede reflejar una gama completa de longitudes de onda de luz en lugar de una única banda estrecha de longitudes de onda.
Como la luz reflejada desde las capas más profundas del espejo recorre una distancia mayor que la luz que se refleja en las capas superficiales, se puede diseñar un espejo con chirridos 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 llegan todas a la vez o para ajustar un pulso de luz en el que diferentes longitudes de onda llegan dispersas en el tiempo.
Esta capacidad de comprimir o compactar más un pulso de luz de diferentes longitudes de onda es importante, porque algunos elementos ópticos de uso común dispersan naturalmente un paquete de luz según la longitud de onda, un fenómeno conocido como dispersión cromática . Se puede diseñar un espejo con efecto de distorsión 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 los espejos dieléctricos se dispone de materiales con un índice de refracción de entre 1,5 y 2,2 aproximadamente. 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). Por lo tanto, si un espejo con efecto de vibración determinado tiene 60 capas, la luz de una frecuencia específica interactúa solo con una sexta parte de toda la pila.
La reflexión de la primera superficie equivale a una reflexión temprana con un chirrido inalterado. Esto se evita reservando algunas capas para el 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 no una octava. A medida que la incidencia varía de normal a ángulo de Brewster , la luz p-polarizada 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.
De manera ingenua, se podría pensar que el chirrido comienza fuera del rango de longitud de onda deseado y que 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 mitad de la longitud de onda de manera desigual entre las zonas de índice alto y bajo. Estos se denominan espejos de doble chirrido.
En los láseres de zafiro de titanio que emplean el modelo de lente Kerr , los espejos con chirridos se utilizan a menudo 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 de grupo, esto es suficiente para los 3 m de aire dentro de la cavidad; para los 3 mm de cristal de zafiro de titanio se necesitan tres espejos más, de modo que ya se puede compensar una cavidad Z simple.
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 de retardo de grupo. Más crítico para pulsos cortos es que los componentes de frecuencia fuera del rango de ganancia del cristal generados indirectamente por automodulación de fase no se pierden a través de los espejos finales o plegables, sino que se transmiten a través del espejo de salida acoplado. [3] En una especie de decisión por mayoría, los modos del láser deciden qué retardo de grupo 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 con chirrido con 6 veces más capas puede reflejar entre 730 nm y 850 nm. La ganancia de Ti:Sa es mayor que la de entre 600 nm y 1200 nm. Para reflejar este ancho de banda se deben aceptar mayores pérdidas. En la amplificación de pulsos con chirrido, estos espejos se utilizan para corregir variaciones residuales del retardo de grupo después de insertar un compresor de rejilla en el sistema.
La especie de escarabajo Chrysina limbata refleja cerca del 97% de la luz en el rango de longitud de onda visible. Esto se logra con un espejo chirriante 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 chirriante está ajustada a una longitud de onda de luz diferente. [4] [5]