La amplificación de pulso gorjeado o CPA (del inglés Chirped pulse amplification), es una técnica para amplificar un pulso de láser ultracorto hasta el nivel del petavatio con el pulso de láser que se extendió temporal y espectralmente antes de la amplificación.Encyclopedia of Laser Physics and Technology: http://www.rp-photonics.com/chirped_pulse_amplification.html
Generación de pulsos láser ultracortos
El interés en láseres pulsados es creciente y se orienta hacia un amplio abanico de aplicaciones, desde las biomédicas hasta las relacionadas con las comunicaciones ópticas.
Entre 1965 y 1975 se crearon los principales tipos de láseres que se utilizan hoy en día en la generación de pulsos de picosegundos, tales como el láser de rubí, el láser en vidrio de neodimio, el láser de vidrio YAG y los láseres de colorantes. La era de los picosegundos se inició utilizando un láser de medio sólido con sincronización de modos. Este láser fue construido entre 1965 y 1966 por Mocker y Collins. Obtuvieron pulsos de picosegundos en 1965 por medio de la sincronización pasiva de los modos del láser de rubí, originando un régimen de operación de pulsos de alta potencia. De Marie, en 1966, obtuvo por primera vez pulsos de picosegundos en un láser de vidrio de neodimio. Sin embargo, el récord de los pulsos cortos se ha obtenido con láseres de colorantes, trabajando en un régimen de sincronización activa o pasiva de modos. Para conseguir un láser trabajando en régimen pulsado también se puede utilizar el bombeo con pulsos cortos. Mediante el bombeo pulsado con un láser de argón se obtuvieron, en un láser que utiliza como medio activo una solución del colorante rodamina 6G (RH6G), pulsos estabilizados con duración aproximada de 7 picosegundos. La longitud de onda de la radiación se podía variar entre 565 y 625 nanómetros.
Un pulso más corto, de duración aproximada de 3 picosegundos, en un medio láser que era una solución de RH6G, fue obtenido por Fan y Gustafson en 1976, mediante bombeo con un láser de neodimi. Pero los láseres de mayor perspectiva, desde el punto de vista de la obtención de pulsos luminosos ultracortos, son los láseres de colorantes con sincronización pasiva de modos. La duración de los pulsos generados puede ser muy próxima al límite teórico posible y solo está condicionada por el principio de incertidumbre (en la región visible es igual a segundos). En 1979, en el Instituto de Espectroscopia de la Academia de Ciencia de la Unión Soviética, se construyó un láser cuyos pulsos tenían una duración de segundos. En la actualidad se generan pulsos mucho más cortos e incluso sigue la búsqueda de lo lograr reducir aún más los pulsos generados por los láseres.
Existen diferentes técnicas para la obtención de pulsos cortos usando como fuente láseres. La primera en ser aplicada fue la denominada Q-switching, basaba en la modificación de las cualidades de resonador del dispositivo y sus pérdidas. Permite obtener pulsos de elevada potencia () y anchos de pulso del orden de picosegundos, pero requiere dispositivos fabricados a tal efecto. Otra de las técnicas es la denominada Mode Locking. Basada en el control de la relación de fase entre los diferentes modos longitudinales de emisión del láser, esta técnica permite obtener pulsos con mejores características, no solo en cuanto a potencia y duración, sino en relación con la estabilidad temporal (jitter) y perfil de los mismos. Pero requiere un montaje experimental complejo que involucra cavidades externas o el uso de absorbentes saturables. La técnica conocida como Gain Switching permite obtener, con un montaje experimental de modulación de la corriente de inyección, pulsos del orden de picosegundos utilizando diodos láseres. Se basa en la modulación de la ganancia óptica del dispositivo mediante inyección de corriente. El Gain Switching está recobrando interés gracias a la técnica de autoinyección de luz, que permite la mejora de la estabilidad de los pulsos, su perfil o el jitter, y el estrechamiento de los pulsos mediante técnicas de compresión externa.
Conceptos básicos y primeras implementaciones
La tecnología para producir pulsos cortos de luz láser ha cambiado radicalmente en las últimas décadas, a continuación se describen algunos de los más importantes y sus principales características:
Q-switching Se puede conseguir Q-Switching incorporando cualquier tipo de atenuador en el interior de la cavidad láser. Cuando el atenuador está en marcha, la luz que sale del medio amplificador no volverá a pasar por él, y no existirá amplificación láser. Esta atenuación en el interior de la cavidad corresponde a una reducción del factor de calidad de la cavidad . Un factor alto corresponde a una cavidad láser con bajas pérdidas por vuelta, mientras que si es bajo la cavidad tendrá muchas pérdidas. Un atenuador usado para este propósito se denomina Q-switch.
Inicialmente el medio activo se bombea mientras el Q-switch se ajusta para no permitir la amplificación de la cavidad a través del medio activo (con lo cual la cavidad tendrá un factor bajo). Esto produce una inversión de población en el medio, pero no se puede tener emisión láser sin la cavidad en funcionamiento. Como la razón de emisión estimulada depende de la cantidad de luz que entra en el medio, la cantidad de energía que se acumula en el medio activo va en aumento mientras es bombeado. Debido a las pérdidas por emisión estimulada u otros procesos, tras un tiempo determinado la energía acumulada llegará a un nivel máximo, se dice que la ganancia ha saturado. En este punto, el dispositivo Q-switch se conmuta rápidamente para minimizar la atenuación, esto hará que el factor de calidad de la cavidad aumente considerablemente, permitiendo que la cavidad láser actúe como tal y comience el proceso de amplificación óptica por emisión estimulada. Gracias a la gran cantidad de energía acumulada en el medio activo, la intensidad de la luz en la cavidad crece muy rápidamente; esto provoca a su vez que la energía almacenada en el medio se reduzca casi por completo muy rápidamente. El resultado neto es la salida de un pulso corto de luz del láser, conocido también como pulso gigante, que puede tener un pico de intensidad muy alto.
Mode locking pasivo Otro de los mecanismos más conocidos para obtener pulsos del femtosegundo es el Mode-Locking. A diferencia de un láser típico, emitiendo en continuo, un láser utilizando el método mode-locking emite una serie de pulsos cortos a una frecuencia de repetición constante. En el dominio de la frecuencia, un láser mode-locking emite en una serie de líneas espectrales separadas por la frecuencia de repetición del láser.
La técnica básica consiste en inducir una relación de fase entre los modos del láser de la cavidad resonante. Se tiene un modo resonante si la amplitud del campo de luz se reproduce después de una vuelta en la cavidad. Se define la longitud de un modo longitudinal por:
El valor de es, por lo general, grande para los láseres comunes ya que .
La luz láser no es una sola frecuencia o longitud de onda. Todos los láseres producen luz sobre algunas bandas de frecuencias. Este método utiliza el acoplamiento entre los modos longitudinales del láser con distancia espectral. Esto se hace con un láser con bandas de emisión suficientemente amplia para contener un gran número de modos longitudinales (ver figura 1).
Figura 1. Ejemplo de banda de emisión amplia que contiene varios modos longitudinales
En general, los diferentes modos longitudinales tienen una relación de fase aleatoria entre ellos. Y la suma coherente de estos modos da una intensidad media bastante baja. Si, al contrario, se consigue sincronizar estos modos para que tengan una fase común en algunas zonas del espacio, entonces la suma coherente será un pulso de una potencia mayor.
Estos pulsos son periódicos, su periodo es igual a:
Esto corresponde al tiempo de viaje real del pulso dentro de la cavidad. Si el pulso resultante es suma de N modos longitudinales, el ancho del pulso será:
con el ancho espectral de la línea de emisión láser.
Los sistemas de láseres con pulsos ultra-cortos (del orden del femtosegundo) utilizan métodos mode-locking en medios activos con larga banda de emisión, como el Ti:Za (Titanio:Zafiro).
En la práctica, sincronizar los modos consiste en modular las pérdidas dentro de la cavidad a la frecuencia , los modos longitudinales tenderán a oscilar en fase. Para conseguirlo se utilizan conmutadores activos (modulador acusto-óptico) o conmutadores pasivos (Kerr-lenz, absorbente saturable).
La técnica de mode-locking pasivo no requiere señal externa para que el láser produzca pulsos. Utiliza la luz en la cavidad para causar un cambio intracavidad en algún elemento. El tipo más común de dispositivo es un absorbente saturable. Un absorbente saturable es un dispositivo óptico que presenta una intensidad de transmisión. Esto significa que el dispositivo se comporta de manera diferente dependiendo de la intensidad de la luz que pasa a través de ella. Para el modo pasivo, lo ideal sería un absorbente saturable que absorbe selectivamente la luz de baja intensidad, y transmitirá la luz de intensidad suficiente.
Cuando se coloca en una cavidad láser, un absorbente saturable atenuará la luz de baja intensidad de la onda. Como la luz en la cavidad oscila, repite este proceso, conduciendo a la amplificación selectiva de los picos de alta intensidad, y la absorción de la luz de baja intensidad. Después de muchos viajes en la cavidad, esto lleva a un tren de pulsos muy potentes.
Amplificación de pulsos ultracortos
La generación de pulsos cortos tiene diversas aplicaciones en muchos campos de la física y la química, pero el rango de aplicaciones se multiplica cuando hablamos de láseres ultracortos e intensos. Las aplicaciones más en boga hoy en día, desde un punto de vista científico o industrial, requieren intensidades altas. Esto es posible trabajando con pulsos ultracortos pues, como se puede ver en los métodos de generación, se obtiene una mayor intensidad que en el régimen continuo para un mismo láser. Sin embargo existe un gran número de problemas en la amplificación de un pulso corto. Principalmente, el problema reside en la que la mayor parte de los materiales amplificadores tiene una potencia máxima donde amplifican antes de sufrir daños, así que esto limita la intensidad de pico con la que se puede trabajar, y por tanto las aplicaciones que puede tener el láser.
Para evitar esto ha de modificarse el pulso antes de amplificarlo, y así conseguir disminuir la potencia sin perder energía. Hay dos posibilidades. En primer lugar es posible modificar el pulso espacialmente, para obtener uno con un diámetro mayor, y por lo tanto una intensidad será menor. De esta forma es posible trabajar con materiales que no admitirían tanta energía para un haz láser más concentrado. La desventaja de este caso es que se han de utilizar ópticas de mayor tamaño, con el consiguiente aumento de precio.
La segunda posibilidad es estirar el pulso temporalmente, esta es la base del método Chirped Pulse Amplification.
Amplificación de pulso gorjeado (CPA)
Figura 2: Esquema del funcionamiento del CPA El esquema de amplificación de pulsos cortos más exitoso hasta la fecha es el de Chirped Pulse Amplification, inventado por Gérard Mourou y Donna Strickland en la Universidad de Rochester, USA en 1985. Básicamente este método consiste en la modulación de fase que permite incrementar o disminuir la frecuencia instantánea, denotada como frecuencia de barrido o chirp. El método CPA permite conseguir pulsos con potencias pico muy altas, por ejemplo intensidades por encima de los , esta técnica ha sido aplicado a una variedad de materiales sólido; Nd:Vidrio, Alejandrita, Ti:Zafiro. En la imagen se puede ver un montaje tipo. Los procedimientos básico del CPA son los siguientes:
Extensores y compresores