Una cavidad óptica , cavidad resonante o resonador óptico es una disposición de espejos u otros elementos ópticos que confinan las ondas de luz de manera similar a cómo un resonador de cavidad confina las microondas. Las cavidades ópticas son un componente principal de los láseres , rodeando el medio de ganancia y proporcionando retroalimentación de la luz láser. También se utilizan en osciladores paramétricos ópticos y algunos interferómetros . La luz confinada en la cavidad se refleja varias veces, produciendo modos con ciertas frecuencias de resonancia . Los modos se pueden descomponer en modos longitudinales que difieren solo en 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 distintos tipos de resonadores se distinguen por las distancias focales de los dos espejos y la distancia entre ellos. Los espejos planos no se utilizan a menudo debido a la dificultad de alinearlos con la precisión necesaria. La geometría (tipo de resonador) debe elegirse de forma que el haz permanezca estable, es decir, que el tamaño del haz no crezca continuamente con múltiples reflexiones. Los tipos de resonadores también están diseñados para cumplir otros criterios, como una cintura de haz mínima o que no haya un punto focal (y, por lo tanto, ninguna luz intensa en un solo punto) dentro de la cavidad.
Las cavidades ópticas están diseñadas para tener un factor Q grande , lo que significa que un haz experimenta muchos ciclos de oscilación con poca atenuación . [1] En el régimen de valores Q altos, esto es equivalente a que el ancho de la línea de frecuencia sea pequeño en comparación con la frecuencia de resonancia de la cavidad.
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 se suprimirán por la interferencia destructiva. En general, los patrones de radiación que se reproducen en cada viaje de ida y vuelta de la luz a través del resonador son los más estables. Estos se conocen como los modos del resonador. [2]
Los modos de resonador se pueden dividir en dos tipos: modos longitudinales , que difieren entre sí en frecuencia; y modos transversales , que pueden diferir tanto en 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 consisten en dos espejos planos o esféricos enfrentados. El más simple de ellos es la cavidad plano-paralela o de Fabry-Pérot , que consiste en dos espejos planos opuestos. [3] [4] [5] [6 ] [7] [8] [9] Si bien es simple, esta disposición rara vez se usa en láseres de gran escala debido a la dificultad de alineación; los espejos deben alinearse en paralelo dentro de unos pocos segundos de arco , o el "desplazamiento" del haz intracavitario hará que se derrame por los lados de la cavidad. Sin embargo, este problema se reduce mucho para cavidades muy cortas con una pequeña distancia de separación de espejos ( L < 1 cm). Por lo tanto, los resonadores plano-paralelos se usan comúnmente en láseres de microchip y microcavidades y láseres semiconductores . En estos casos, en lugar de usar espejos separados, se puede aplicar un revestimiento óptico reflectante directamente al medio láser en sí. El resonador plano-paralelo es también la base del interferómetro Fabry-Pérot .
En el caso de 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 limitada por difracción en el centro de la cavidad, con grandes diámetros de haz en los espejos, que llenan toda la abertura 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 dada, y a menudo se utiliza en láseres donde la pureza del patrón de modo transversal es importante.
Una cavidad cóncava-convexa tiene un espejo convexo con un radio de curvatura negativo. Este diseño no produce un enfoque del haz dentro de la cavidad y, por lo tanto, es útil en láseres de muy alta potencia en los que la intensidad de la luz podría ser perjudicial para el medio dentro de la cavidad si se lleva al foco.
Una esfera dieléctrica transparente, como una gota de líquido, también puede formar una cavidad óptica. En 1986, Richard K. Chang et al. demostraron la formación de láser utilizando microgotas de etanol (de 20 a 40 micrómetros de radio) dopadas con el colorante rodamina 6G . [16] Este tipo de cavidad óptica presenta resonancias ópticas cuando se varía el tamaño de la esfera, la longitud de onda óptica o el índice de refracción . La resonancia se conoce como resonancia dependiente de la morfología .
Sólo ciertos rangos de valores para R 1 , R 2 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, llegando a ser más grande que el tamaño de los espejos de la cavidad y perdiéndose. Mediante el uso de métodos como el análisis de matriz 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 trazando g 1 contra g 2 como se muestra. Las áreas limitadas por la línea 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, y por eso los láseres que utilizan estas cavidades se operan en la práctica a menudo justo dentro de la línea de estabilidad.
Un enunciado geométrico simple 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 centro 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 de haz.
Si la cavidad óptica no está vacía (por ejemplo, una cavidad láser que contiene el medio de ganancia), el valor de L debe ajustarse para tener en cuenta el índice de refracción del medio. Los elementos ópticos, como las lentes, colocados en la cavidad alteran la estabilidad y el tamaño del modo. Además, para la mayoría de los medios de ganancia, las inhomogeneidades térmicas y de otro tipo crean un efecto de lente variable en el medio, que debe tenerse en cuenta en el diseño del resonador láser.
Los resonadores láser prácticos pueden contener más de dos espejos; las disposiciones de tres y cuatro espejos son comunes, produciendo una "cavidad plegada". Comúnmente, un par de espejos curvos forman una o más secciones confocales, con el resto de la cavidad siendo cuasi colimada y utilizando espejos planos. La forma del haz láser depende del tipo de resonador: el haz producido por resonadores estables y paraxiales puede ser bien modelado por un haz gaussiano . En casos especiales, el haz puede ser descrito como un solo modo transversal y las propiedades espaciales pueden ser bien descritas por el propio haz gaussiano. De manera más general, este haz puede ser descrito como una superposición de modos transversales. La descripción precisa de un haz de este tipo implica la expansión sobre un 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 del haz entre las secciones plegadas. Entre los ejemplos se incluyen moduladores acústico-ópticos para el volcado de cavidades y filtros espaciales de vacío para el control del modo transversal . En el caso de algunos láseres de baja potencia, el propio medio de ganancia del láser puede colocarse en la cintura del haz. Otros elementos, como filtros , prismas y rejillas de difracción, suelen necesitar haces cuasi colimados de gran tamaño.
Estos diseños permiten compensar el astigmatismo del haz de la cavidad , que se produce mediante elementos de corte Brewster en la cavidad. Una disposición en forma de Z de la cavidad también compensa el coma, mientras que la cavidad en forma de "delta" o X no lo hace.
Los resonadores fuera del plano dan lugar a la rotación del perfil del haz y a 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 se puede mejorar aún más 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 la mejor calidad del haz, los elementos ópticos deben estar alineados de manera que la trayectoria que sigue el haz esté centrada en cada elemento.
Las cavidades simples suelen alinearse 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 en 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 ópticas de múltiples pasadas, doblando un haz de luz de modo que se pueda lograr una longitud de trayectoria larga en un espacio pequeño. Una cavidad plano-paralela con espejos planos produce una trayectoria de luz plana en zigzag, pero como se mencionó anteriormente, estos diseños son muy sensibles a las perturbaciones mecánicas y al desvío. Cuando se utilizan espejos curvos en una configuración casi confocal, el haz viaja en una trayectoria circular en zigzag. Esto último se denomina línea de retardo de tipo Herriott. Un espejo de inserción fijo se coloca fuera del eje cerca de uno de los espejos curvos, y un espejo de captación móvil se coloca de manera similar cerca del otro espejo curvo. Una etapa lineal plana con un espejo de captación se utiliza en el caso de espejos planos y una etapa rotatoria con dos espejos se utiliza para la línea de retardo de 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, formada por tres o dos espejos en una configuración de retrorreflexión 3D y 2D respectivamente sobre una platina lineal. Para ajustar la divergencia del haz, se puede utilizar un segundo carro en la platina lineal con dos lentes. Las dos lentes actúan como un telescopio que produce un frente de fase plano de un haz gaussiano en un espejo final virtual.
