Láser ultrarrápido único, primera parte

Únicoláser ultrarrápidoprimera parte

Propiedades únicas de ultrarrápidoláseres
La duración ultracorta de los pulsos de los láseres ultrarrápidos confiere a estos sistemas propiedades únicas que los distinguen de los láseres de pulso largo o de onda continua (CW). Para generar un pulso tan corto, se requiere un ancho de banda espectral amplio. La forma del pulso y la longitud de onda central determinan el ancho de banda mínimo necesario para generar pulsos de una duración determinada. Normalmente, esta relación se describe en términos del producto tiempo-ancho de banda (TBP), que se deriva del principio de incertidumbre. El TBP del pulso gaussiano viene dado por la siguiente fórmula: TBPGaussiano = ΔτΔν ≈ 0,441
Δτ representa la duración del pulso y Δv el ancho de banda de frecuencia. En esencia, la ecuación muestra una relación inversa entre el ancho de banda del espectro y la duración del pulso; es decir, a medida que disminuye la duración del pulso, aumenta el ancho de banda necesario para generarlo. La Figura 1 ilustra el ancho de banda mínimo requerido para soportar diferentes duraciones de pulso.

Figura 1: Ancho de banda espectral mínimo requerido para admitirpulsos láserde 10 ps (verde), 500 fs (azul) y 50 fs (rojo)

Los desafíos técnicos de los láseres ultrarrápidos
El amplio ancho de banda espectral, la potencia máxima y la corta duración de pulso de los láseres ultrarrápidos deben gestionarse adecuadamente en su sistema. A menudo, una de las soluciones más sencillas a estos desafíos es la emisión de amplio espectro de los láseres. Si anteriormente ha utilizado principalmente láseres de pulso largo o de onda continua, es posible que sus componentes ópticos actuales no puedan reflejar ni transmitir todo el ancho de banda de los pulsos ultrarrápidos.

umbral de daño por láser
La óptica ultrarrápida también tiene umbrales de daño láser (LDT) significativamente diferentes y más difíciles de navegar en comparación con las fuentes láser más convencionales. Cuando se proporcionan ópticas paraláseres pulsados ​​de nanosegundosLos valores de LDT suelen estar en el orden de 5-10 J/cm2. Para la óptica ultrarrápida, valores de esta magnitud son prácticamente inauditos, ya que los valores de LDT son más probables en el orden de <1 J/cm2, generalmente más cercanos a 0,3 J/cm2. La variación significativa de la amplitud de LDT bajo diferentes duraciones de pulso es el resultado del mecanismo de daño láser basado en duraciones de pulso. Para láseres de nanosegundos o más largosláseres pulsados, el principal mecanismo que causa daños es el calentamiento térmico. Los materiales del recubrimiento y del sustrato deldispositivos ópticosabsorben los fotones incidentes y los calientan. Esto puede provocar una distorsión de la red cristalina del material. La expansión térmica, el agrietamiento, la fusión y la deformación de la red son los mecanismos comunes de daño térmico de estosfuentes láser.

Sin embargo, en el caso de los láseres ultrarrápidos, la duración del pulso es menor que la escala temporal de transferencia de calor del láser a la red cristalina del material, por lo que el efecto térmico no es la causa principal del daño inducido por el láser. En cambio, la potencia máxima del láser ultrarrápido transforma el mecanismo de daño en procesos no lineales, como la absorción multifotónica y la ionización. Por ello, no es posible simplemente reducir el umbral de daño láser (LDT) de un pulso de nanosegundos al de un pulso ultrarrápido, ya que el mecanismo físico de daño es diferente. Por lo tanto, en las mismas condiciones de uso (por ejemplo, longitud de onda, duración del pulso y frecuencia de repetición), un dispositivo óptico con un LDT suficientemente alto será el más adecuado para su aplicación específica. Los resultados de las pruebas realizadas en condiciones diferentes no son representativos del rendimiento real de los mismos componentes ópticos en el sistema.

Figura 1: Mecanismos de daño inducido por láser con diferentes duraciones de pulso.