Un láser sintonizable es un láser cuya longitud de onda de funcionamiento se puede modificar de manera controlada. Si bien todos los medios de ganancia láser permiten pequeños cambios en la longitud de onda de salida, solo unos pocos tipos de láseres permiten una sintonización continua en un rango significativo de longitudes de onda.
Existen muchos tipos y categorías de láseres sintonizables. Existen en estado gaseoso, líquido y sólido. Entre los tipos de láseres sintonizables se encuentran los láseres excimer , los láseres de gas (como los láseres de CO2 y He-Ne ), los láseres de colorante (en estado líquido y sólido), los láseres de estado sólido de metales de transición, los láseres de diodo y cristal semiconductor y los láseres de electrones libres . [1] Los láseres sintonizables encuentran aplicaciones en espectroscopia , [2] fotoquímica , separación de isótopos por láser de vapor atómico , [3] [4] y comunicaciones ópticas .
Dado que ningún láser real es verdaderamente monocromático , todos los láseres pueden emitir luz en un rango de frecuencias, conocido como ancho de línea de la transición láser. En la mayoría de los láseres, este ancho de línea es bastante estrecho (por ejemplo, la transición de longitud de onda de 1064 nm de un láser Nd:YAG tiene un ancho de línea de aproximadamente 120 GHz, o 0,45 nm [5] ). El ajuste de la salida del láser en este rango se puede lograr colocando elementos ópticos selectivos de longitud de onda (como un etalón ) en la cavidad óptica del láser , para proporcionar la selección de un modo longitudinal particular de la cavidad.
La mayoría de los medios de ganancia láser tienen un número de longitudes de onda de transición en las que se puede lograr el funcionamiento del láser. Por ejemplo, además de la línea de salida principal de 1064 nm, el Nd:YAG tiene transiciones más débiles en longitudes de onda de 1052 nm, 1074 nm, 1112 nm, 1319 nm y un número de otras líneas. [6] Por lo general, estas líneas no funcionan a menos que se suprima la ganancia de la transición más fuerte; por ejemplo, mediante el uso de espejos dieléctricos selectivos de longitud de onda . Si se introduce un elemento dispersivo , como un prisma , en la cavidad óptica, la inclinación de los espejos de la cavidad puede provocar la sintonización del láser a medida que "salta" entre diferentes líneas láser. Dichos esquemas son comunes en los láseres de iones de argón , lo que permite la sintonización del láser a un número de líneas desde las longitudes de onda ultravioleta y azul hasta el verde .
En algunos tipos de láseres, la longitud de la cavidad del láser se puede modificar y, por lo tanto, se pueden sintonizar de forma continua en un rango significativo de longitudes de onda. Los láseres semiconductores de retroalimentación distribuida (DFB) y los láseres de emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL) utilizan estructuras de reflector Bragg distribuido (DBR) periódico para formar los espejos de la cavidad óptica. Si se cambia la temperatura del láser, el cambio de índice de la estructura DBR provoca un cambio en su longitud de onda de reflexión máxima y, por lo tanto, en la longitud de onda del láser. El rango de sintonización de dichos láseres es típicamente de unos pocos nanómetros, hasta un máximo de aproximadamente 6 nm, ya que la temperatura del láser cambia en ~50 K. Como regla general, la longitud de onda se sintoniza en 0,08 nm/K para los láseres DFB que funcionan en el régimen de longitud de onda de 1550 nm. Dichos láseres se utilizan comúnmente en aplicaciones de comunicaciones ópticas, como los sistemas DWDM, para permitir el ajuste de la longitud de onda de la señal. Para obtener una sintonización de banda ancha utilizando esta técnica, algunas empresas como Santur Corporation o Nippon Telegraph and Telephone (NTT Corporation) [7] contienen una matriz de dichos láseres en un solo chip y concatenan los rangos de sintonización.
Los láseres reflectores de Bragg distribuidos con rejilla de muestra (SG-DBR) tienen un rango de sintonización mucho mayor; mediante el uso de espejos Bragg sintonizables con vernier y una sección de fase, se puede seleccionar un rango de salida monomodo de >50 nm. Otras tecnologías para lograr rangos de sintonización amplios para sistemas DWDM [8] son:
En lugar de colocar los espejos resonadores en los bordes del dispositivo, los espejos de un VCSEL se ubican en la parte superior e inferior del material semiconductor. De manera un tanto confusa, estos espejos son típicamente dispositivos DBR. Esta disposición hace que la luz "rebote" verticalmente en un chip láser, de modo que la luz emerge a través de la parte superior del dispositivo, en lugar de por el borde. Como resultado, los VCSEL producen haces de naturaleza más circular que sus primos y haces que no divergen tan rápidamente. [10]
A partir de diciembre de 2008, ya [actualizar]no existe ningún VCSEL ampliamente ajustable disponible comercialmente para aplicaciones de sistemas DWDM . [ cita requerida ]
Se afirma que el primer láser infrarrojo con una capacidad de ajuste de más de una octava fue un láser de cristal de germanio. [11]
La gama de aplicaciones de los láseres sintonizables es extremadamente amplia. Cuando se acoplan al filtro adecuado, una fuente sintonizable puede sintonizarse en unos pocos cientos de nanómetros [12] [13] [14] con una resolución espectral que puede ir de 4 nm a 0,3 nm, dependiendo del rango de longitud de onda . Con un aislamiento suficientemente bueno (>OD4), la fuente sintonizable se puede utilizar para el estudio básico de absorción y fotoluminiscencia . Se puede utilizar para la caracterización de células solares en un experimento de corriente inducida por haz de luz (LBIC) a partir del cual se puede mapear la eficiencia cuántica externa (EQE) de un dispositivo. [15] También se puede utilizar para la caracterización de nanopartículas de oro [16] y termopilas de nanotubos de carbono de pared simple [17] donde es esencial un amplio rango de sintonización de 400 nm a 1000 nm. Las fuentes sintonizables se han utilizado recientemente para el desarrollo de imágenes hiperespectrales para la detección temprana de enfermedades de la retina, donde un amplio rango de longitudes de onda, un pequeño ancho de banda y un excelente aislamiento son cruciales para lograr una iluminación eficiente de toda la retina . [18] [19] La fuente sintonizable puede ser una herramienta poderosa para la espectroscopia de reflexión y transmisión , la fotobiología , la calibración de detectores, las imágenes hiperespectrales y el experimento de sonda de bombeo de estado estable , por nombrar solo algunos.
El primer láser verdaderamente ajustable en sentido amplio fue el láser colorante en 1966. [20] [21] Hänsch introdujo el primer láser ajustable de ancho de línea estrecho en 1972. [22] Los láseres colorantes y algunos láseres de estado sólido vibrónicos tienen anchos de banda extremadamente grandes, lo que permite la sintonización en un rango de decenas a cientos de nanómetros. [23] El zafiro dopado con titanio es el láser de estado sólido ajustable más común, capaz de operar con láser desde 670 nm hasta 1100 nm de longitud de onda. [24] Por lo general, estos sistemas láser incorporan un filtro Lyot en la cavidad del láser, que se gira para ajustar el láser. Otras técnicas de ajuste implican rejillas de difracción, prismas, etalones y combinaciones de estos. [25] Las disposiciones de rejilla de prismas múltiples , en varias configuraciones, como las descritas por Duarte , se utilizan en láseres de diodo, colorante, de gas y otros láseres ajustables. [26]