Los láseres de titanio-zafiro (también conocidos como láseres de Ti:zafiro , láseres de Ti:Al 2 O 3 o Ti:zafiro ) son láseres sintonizables que emiten luz roja y de infrarrojo cercano en el rango de 650 a 1100 nanómetros. Estos láseres se utilizan principalmente en investigaciones científicas debido a su sintonizabilidad y su capacidad de generar pulsos ultracortos gracias a su amplio espectro de emisión de luz. Los láseres basados en Ti:zafiro fueron construidos e inventados por primera vez en junio de 1982 por Peter Moulton en el Laboratorio Lincoln del MIT . [1]
Titanio-zafiro se refiere al medio láser , un cristal de zafiro (Al 2 O 3 ) que está dopado con iones Ti 3+ . Un láser de Ti:zafiro generalmente se bombea con otro láser con una longitud de onda de 514 a 532 nm, para lo cual se usan láseres de iones de argón (514,5 nm) y láseres de frecuencia duplicada Nd:YAG , Nd:YLF y Nd:YVO (527– 532 nm). Son capaces de operar con láser desde 670 nm hasta 1100 nm de longitud de onda. [2] Los láseres de Ti:zafiro funcionan con mayor eficiencia en longitudes de onda cercanas a los 800 nm. [3]
Los osciladores de modo bloqueado generan pulsos ultracortos con una duración típica de entre unos pocos picosegundos y 10 femtosegundos , en casos especiales incluso alrededor de 5 femtosegundos (pocos ciclos de onda portadora en cada pulso láser). La frecuencia de repetición del pulso es en la mayoría de los casos alrededor de 70 a 90 MHz, según lo indicado por la trayectoria óptica de ida y vuelta del oscilador, generalmente de unos pocos metros. Los osciladores de Ti:zafiro normalmente se bombean con un rayo láser de onda continua de un láser de argón o Nd:YVO4 de frecuencia duplicada . Normalmente, un oscilador de este tipo tiene una potencia de salida promedio de 0,4 a 2,5 vatios (5,7 a 35 nJ en cada pulso láser para la velocidad de repetición de 70 MHz).
Estos dispositivos generan pulsos ultracortos y de ultra alta intensidad con una duración de 20 a 100 femtosegundos. Un amplificador típico de una etapa puede producir pulsos de hasta 5 milijulios de energía con una frecuencia de repetición de 1000 hercios , mientras que una instalación más grande de varias etapas puede producir pulsos de hasta varios julios , con una frecuencia de repetición de hasta 10 Hz. Por lo general, los cristales amplificadores se bombean con un láser Nd:YLF pulsado de frecuencia duplicada a 527 nm y funcionan a 800 nm. Existen dos diseños diferentes para el amplificador: amplificador regenerativo y amplificador multipaso.
Los amplificadores regenerativos funcionan amplificando pulsos individuales de un oscilador (ver arriba). En lugar de una cavidad normal con un espejo parcialmente reflectante, contienen interruptores ópticos de alta velocidad que insertan un pulso en una cavidad y lo sacan de la cavidad exactamente en el momento adecuado cuando se ha amplificado a una alta intensidad.
El término " pulso chirriado " se refiere a una construcción especial que es necesaria para evitar que el pulso dañe los componentes del láser. El pulso se alarga en el tiempo de modo que no toda la energía se localiza en el mismo punto en el tiempo y el espacio. Esto evita daños a la óptica del amplificador. Luego, el pulso se amplifica ópticamente y se recomprime en el tiempo para formar un pulso corto y localizado. Todas las ópticas posteriores a este punto deben elegirse teniendo en cuenta la alta densidad de energía.
En un amplificador multipaso , no hay interruptores ópticos. En cambio, los espejos guían el haz un número fijo de veces (dos o más) a través del cristal de Ti:zafiro con direcciones ligeramente diferentes. Un haz de bombeo pulsado también puede pasar varias veces a través del cristal, de modo que cada vez más pases bombeen el cristal. Primero, el haz de bomba bombea un punto en el medio de ganancia. Luego, el haz de señal pasa primero por el centro para obtener la máxima amplificación, pero en pasadas posteriores se aumenta el diámetro para permanecer por debajo del umbral de daño, para evitar la amplificación de las partes exteriores del haz, aumentando así la calidad del haz y cortando parte de la emisión espontánea amplificada. y agotar completamente la inversión en el medio de ganancia.
Los pulsos de los amplificadores de pulsos chirriados a menudo se convierten a otras longitudes de onda mediante diversos procesos ópticos no lineales .
A 5 mJ en 100 femtosegundos, la potencia máxima de dicho láser es de 50 gigavatios. [4] Cuando se enfocan con una lente, estos pulsos láser ionizarán cualquier material colocado en el foco, incluidas las moléculas de aire, y provocarán una propagación de filamentos cortos y fuertes efectos ópticos no lineales que generan un amplio espectro de longitudes de onda.
El titanio-zafiro es especialmente adecuado para láseres pulsados, ya que un pulso ultracorto contiene inherentemente un amplio espectro de componentes de frecuencia. Esto se debe a la relación inversa entre el ancho de banda de frecuencia de un pulso y su duración temporal, por ser variables conjugadas . Sin embargo, con un diseño adecuado, el titanio-zafiro también se puede utilizar en láseres de onda continua con anchos de línea extremadamente estrechos y ajustables en un amplio rango.
El láser Ti:zafiro fue inventado por Peter Moulton en junio de 1982 en el Laboratorio Lincoln del MIT en su versión de onda continua. Posteriormente, se demostró que estos láseres generan pulsos ultracortos mediante el modelado de lentes Kerr . [5] Strickland y Mourou , entre otros, que trabajan en la Universidad de Rochester , demostraron una amplificación de pulso chirriante de este láser en unos pocos años, [6] por lo que estos dos compartieron el Premio Nobel de Física de 2018 [7] ( junto con Arthur Ashkin por las pinzas ópticas). Las ventas acumuladas del producto del láser Ti:zafiro han ascendido a más de 600 millones de dólares, lo que lo convierte en un gran éxito comercial que ha sostenido la industria del láser de estado sólido durante más de tres décadas. [8] [9]
Los pulsos ultracortos generados por los láseres de Ti: zafiro en el dominio del tiempo corresponden a peines de frecuencia óptica de modo bloqueado en el dominio espectral. Tanto las propiedades temporales como espectrales de estos láseres los hacen muy deseables para metrología de frecuencia, espectroscopia o para procesos ópticos no lineales de bombeo . La mitad del Premio Nobel de Física de 2005 se concedió al desarrollo de la técnica del peine de frecuencia óptica, que dependía en gran medida del láser Ti:zafiro y sus propiedades de automodelado. [10] [11] [12] Las versiones de onda continua de estos láseres pueden diseñarse para tener un rendimiento casi cuántico limitado, lo que da como resultado un ruido bajo y un ancho de línea estrecho, lo que los hace atractivos para experimentos de óptica cuántica . [13] El reducido ruido de emisión espontánea amplificada en la radiación de los láseres de Ti:zafiro confiere gran fuerza en su aplicación como redes ópticas para el funcionamiento de relojes atómicos de última generación. Además de las aplicaciones científicas fundamentales en el laboratorio, este láser ha encontrado aplicaciones biológicas como imágenes multifotónicas de tejido profundo y aplicaciones industriales de micromecanizado en frío . Cuando funcionan en el modo de amplificación de pulso chirriado, pueden usarse para generar potencias máximas extremadamente altas en el rango de teravatios, lo que encuentra uso en la investigación de la fusión nuclear .