Una cavidad óptica , cavidad resonante o resonador óptico es una disposición de espejos u otros elementos ópticos que forma una cavidad resonadora para ondas luminosas . Las cavidades ópticas son un componente importante de los láseres , rodean el medio de ganancia y proporcionan retroalimentación de la luz láser. También se utilizan en osciladores paramétricos ópticos y algunos interferómetros . La luz confinada en la cavidad se refleja múltiples veces, produciendo modos con ciertas frecuencias de resonancia . Los modos se pueden descomponer en modos longitudinales que difieren sólo en la frecuencia y modos transversales que tienen diferentes patrones de intensidad a lo largo de la sección transversal del haz. Muchos tipos de cavidades ópticas producen modos de onda estacionaria .
Los diferentes tipos de resonadores se distinguen por las distancias focales de los dos espejos y la distancia entre ellos. Los espejos planos no se utilizan con frecuencia debido a la dificultad de alinearlos con la precisión necesaria. La geometría (tipo resonador) debe elegirse de modo que el haz permanezca estable, es decir, que el tamaño del haz no crezca continuamente con múltiples reflexiones. Los tipos de resonador también están diseñados para cumplir otros criterios, como la cintura mínima del haz o no tener un punto focal (y por lo tanto, luz intensa en ese punto) dentro de la cavidad.
Las cavidades ópticas están diseñadas para tener un factor Q grande ; [1] un haz se reflejará una gran cantidad de veces con poca atenuación . Por lo tanto, el ancho de la línea de frecuencia del haz es muy pequeño en comparación con la frecuencia del láser.
La luz confinada en un resonador se reflejará varias veces en los espejos y, debido a los efectos de la interferencia , el resonador solo mantendrá ciertos patrones y frecuencias de radiación, mientras que los demás serán suprimidos por la interferencia destructiva. En general, los patrones de radiación que se reproducen en cada recorrido de ida y vuelta de la luz a través del resonador son los más estables, y estos son los modos propios, conocidos como modos , del resonador. [2]
Los modos de resonador se pueden dividir en dos tipos: modos longitudinales , que difieren en frecuencia entre sí; y modos transversales , que pueden diferir tanto en la frecuencia como en el patrón de intensidad de la luz. El modo transversal básico o fundamental de un resonador es un haz gaussiano .
Los tipos más comunes de cavidades ópticas constan de dos espejos planos (planos) o esféricos enfrentados. El más simple de ellos es el plano paralelo o cavidad de Fabry-Pérot , que consta de dos espejos planos opuestos. [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] Si bien es simple, esta disposición rara vez se usa en láseres a gran escala debido a la dificultad de alineación; Los espejos deben alinearse paralelos dentro de unos pocos segundos de arco , o la "salida" del haz intracavidad resultará en que se derrame fuera de los lados de la cavidad. Sin embargo, este problema se reduce mucho en cavidades muy cortas con una distancia de separación de espejo pequeña ( L < 1 cm). Por lo tanto, los resonadores de planos paralelos se utilizan comúnmente en láseres de microchips y microcavidades y láseres semiconductores . En estos casos, en lugar de utilizar espejos separados, se puede aplicar directamente un revestimiento óptico reflectante al propio medio láser. El resonador de planos paralelos es también la base del interferómetro de Fabry-Pérot .
Para un resonador con dos espejos con radios de curvatura R 1 y R 2 , existen varias configuraciones de cavidades comunes. Si los dos radios son iguales a la mitad de la longitud de la cavidad ( R 1 = R 2 = L / 2), se obtiene un resonador concéntrico o esférico. Este tipo de cavidad produce una cintura de haz de difracción limitada en el centro de la cavidad, con grandes diámetros de haz en los espejos, llenando toda la apertura del espejo. Similar a esto es la cavidad hemisférica, con un espejo plano y un espejo de radio igual a la longitud de la cavidad.
Un diseño común e importante es el resonador confocal, con espejos de radios iguales a la longitud de la cavidad ( R 1 = R 2 = L ). [10] [11] [12] [13] [14] [15] Este diseño produce el diámetro de haz más pequeño posible en los espejos de la cavidad para una longitud de cavidad determinada y se utiliza a menudo en láseres donde la pureza del patrón de modo transversal es importante.
Una cavidad cóncavo-convexa tiene un espejo convexo con un radio de curvatura negativo. Este diseño no produce un enfoque intracavitario del haz y, por lo tanto, es útil en láseres de muy alta potencia donde la intensidad de la luz intracavitaria podría dañar el medio intracavitario si se enfoca.
Una esfera dieléctrica transparente, como una gota de líquido, también forma una cavidad óptica interesante. En 1986 Richard K. Chang et al. demostró el uso de láser utilizando microgotas de etanol (de 20 a 40 micrómetros de radio) dopadas con colorante rodamina 6G . [16] Este tipo de cavidad óptica exhibe resonancias ópticas cuando se varía el tamaño de la esfera o la longitud de onda óptica o el índice de refracción . La resonancia se conoce como resonancia morfológica dependiente .
Sólo ciertos rangos de valores para R1 , R2 y L producen resonadores estables en los que se produce un reenfoque periódico del haz intracavitario. Si la cavidad es inestable, el tamaño del haz crecerá sin límite, hasta llegar a ser más grande que el tamaño de los espejos de la cavidad y perderse. Utilizando métodos como el análisis matricial de transferencia de rayos , es posible calcular un criterio de estabilidad: [17]
Los valores que satisfacen la desigualdad corresponden a resonadores estables.
La estabilidad se puede mostrar gráficamente definiendo un parámetro de estabilidad, g , para cada espejo:
y trazar g 1 contra g 2 como se muestra. Las áreas delimitadas por la recta g 1 g 2 = 1 y los ejes son estables. Las cavidades en puntos exactamente sobre la línea son marginalmente estables; pequeñas variaciones en la longitud de la cavidad pueden hacer que el resonador se vuelva inestable, por lo que en la práctica los láseres que utilizan estas cavidades a menudo funcionan justo dentro de la línea de estabilidad.
Una simple declaración geométrica describe las regiones de estabilidad: una cavidad es estable si los segmentos de línea entre los espejos y sus centros de curvatura se superponen, pero uno no se encuentra completamente dentro del otro.
En la cavidad confocal, si un rayo se desvía de su dirección original en el medio de la cavidad, su desplazamiento después de reflejarse en uno de los espejos es mayor que en cualquier otro diseño de cavidad. Esto evita la emisión espontánea amplificada y es importante para diseñar amplificadores de alta potencia con buena calidad del haz.
Si la cavidad óptica no está vacía (por ejemplo, una cavidad láser que contiene el medio de ganancia), es necesario ajustar el valor de L para tener en cuenta el índice de refracción del medio. Los elementos ópticos, como las lentes colocadas en la cavidad, alteran la estabilidad y el tamaño del modo. Además, para la mayoría de los medios de ganancia, las heterogeneidades térmicas y de otro tipo crean un efecto de lente variable en el medio, que debe considerarse en el diseño del resonador láser.
Los resonadores láser prácticos pueden contener más de dos espejos; Son comunes las disposiciones de tres y cuatro espejos, que producen una "cavidad plegada". Comúnmente, un par de espejos curvos forman una o más secciones confocales, estando el resto de la cavidad casi colimada y utilizando espejos planos. La forma del rayo láser depende del tipo de resonador: el rayo producido por resonadores paraxiales estables se puede modelar bien mediante un rayo gaussiano . En casos especiales, el haz puede describirse como un modo transversal único y las propiedades espaciales pueden describirse bien mediante el propio haz gaussiano. De manera más general, este haz puede describirse como una superposición de modos transversales. La descripción precisa de dicha viga implica la expansión sobre algún conjunto completo y ortogonal de funciones (sobre dos dimensiones), como los polinomios de Hermite o los polinomios de Ince . Por otro lado, se ha demostrado que los resonadores láser inestables producen haces con forma fractal. [18]
Algunos elementos intracavitarios suelen colocarse en la cintura de una viga entre secciones plegadas. Los ejemplos incluyen moduladores acústico-ópticos para descarga de cavidades y filtros espaciales de vacío para control de modo transversal . Para algunos láseres de baja potencia, el propio medio de ganancia del láser puede estar colocado en la cintura del haz. Otros elementos, como filtros , prismas y rejillas de difracción, a menudo necesitan grandes haces cuasi colimados.
Estos diseños permiten compensar el astigmatismo del haz de la cavidad , que se produce mediante elementos cortados por Brewster en la cavidad. Una disposición de la cavidad en forma de Z también compensa el coma , mientras que la cavidad en forma de 'delta' o X no lo hace.
Los resonadores fuera del plano provocan la rotación del perfil del haz y una mayor estabilidad. El calor generado en el medio de ganancia provoca una deriva de frecuencia de la cavidad, por lo que la frecuencia se puede estabilizar activamente bloqueándola en una cavidad sin alimentación. De manera similar, la estabilidad de apuntamiento de un láser aún se puede mejorar mediante el filtrado espacial mediante una fibra óptica .
La alineación precisa es importante al ensamblar una cavidad óptica. Para obtener la mejor potencia de salida y calidad del haz, los elementos ópticos deben estar alineados de manera que la trayectoria seguida por el haz esté centrada a través de cada elemento.
Las cavidades simples a menudo se alinean con un láser de alineación: un láser visible bien colimado que puede dirigirse a lo largo del eje de la cavidad. La observación de la trayectoria del haz y sus reflejos desde varios elementos ópticos permite ajustar las posiciones e inclinaciones de los elementos.
Se pueden alinear cavidades más complejas utilizando dispositivos como autocolimadores electrónicos y perfiladores de rayos láser .
Las cavidades ópticas también se pueden utilizar como líneas de retardo óptico de múltiples pasos, plegando un haz de luz de modo que se pueda lograr un largo recorrido en un espacio pequeño. Una cavidad plana paralela con espejos planos produce una trayectoria de luz plana en zigzag, pero como se analizó anteriormente, estos diseños son muy sensibles a las perturbaciones mecánicas y a la desviación. Cuando se utilizan espejos curvos en una configuración casi confocal, el haz viaja en una trayectoria circular en zigzag. Esta última se denomina línea de retardo tipo Herriott. Se coloca un espejo de inserción fijo fuera de eje cerca de uno de los espejos curvos, y de manera similar se coloca un espejo captador móvil cerca del otro espejo curvo. Se utiliza un escenario lineal plano con un espejo captador en el caso de espejos planos y un escenario giratorio con dos espejos para la línea de retardo tipo Herriott.
La rotación del haz dentro de la cavidad altera el estado de polarización del haz. Para compensar esto, también se necesita una línea de retardo de un solo paso, hecha de tres o dos espejos en una configuración de retrorreflexión 3D respectiva 2D en la parte superior de un escenario lineal. Para ajustar la divergencia del haz se puede utilizar un segundo carro en el escenario lineal con dos lentes. Las dos lentes actúan como un telescopio produciendo un frente de fase plano de un haz gaussiano en un espejo final virtual.
