Láser ultrarrápido único, primeira parte

Únicoláser ultrarrápidoprimeira parte

Propiedades únicas dos ultrarrápidosláseres
A duración ultracurta dos pulsos dos láseres ultrarrápidos confire a estes sistemas propiedades únicas que os distinguen dos láseres de pulso longo ou de onda continua (CW). Para xerar un pulso tan curto, requírese un ancho de banda de espectro amplo. A forma do pulso e a lonxitude de onda central determinan o ancho de banda mínimo necesario para xerar pulsos dunha duración particular. Normalmente, esta relación descríbese en termos do produto tempo-ancho de banda (TBP), que se deriva do principio de incerteza. O TBP do pulso gaussiano vén dado pola seguinte fórmula: TBPGaussiano = ΔτΔν≈0,441
Δτ é a duración do pulso e Δv é o ancho de banda de frecuencia. En esencia, a ecuación mostra que existe unha relación inversa entre o ancho de banda do espectro e a duración do pulso, o que significa que a medida que a duración do pulso diminúe, o ancho de banda necesario para xeralo aumenta. A figura 1 ilustra o ancho de banda mínimo necesario para soportar varias duracións de pulso diferentes.

Figura 1: Ancho de banda espectral mínimo necesario para soportarpulsos láserde 10 ps (verde), 500 fs (azul) e 50 fs (vermello)

Os desafíos técnicos dos láseres ultrarrápidos
O amplo ancho de banda espectral, a potencia máxima e a curta duración dos pulsos dos láseres ultrarrápidos deben xestionarse axeitadamente no seu sistema. A miúdo, unha das solucións máis sinxelas para estes desafíos é a saída de amplo espectro dos láseres. Se no pasado utilizou principalmente láseres de pulsos máis longos ou de onda continua, é posible que o seu stock existente de compoñentes ópticos non sexa capaz de reflectir ou transmitir o ancho de banda completo dos pulsos ultrarrápidos.

Limiar de dano láser
A óptica ultrarrápida tamén ten limiares de dano láser (LDT) significativamente diferentes e máis difíciles de superar en comparación coas fontes láser máis convencionais. Cando se proporcionan ópticas paraláseres pulsados ​​de nanosegundos, os valores de LDT adoitan ser da orde de 5-10 J/cm2. Para a óptica ultrarrápida, valores desta magnitude son practicamente descoñecidos, xa que é máis probable que os valores de LDT sexan da orde de <1 J/cm2, normalmente máis preto de 0,3 J/cm2. A variación significativa da amplitude da LDT baixo diferentes duracións de pulso é o resultado do mecanismo de dano do láser baseado nas duracións de pulso. Para láseres de nanosegundos ou máis longosláseres pulsados, o principal mecanismo que causa danos é o quecemento térmico. Os materiais de revestimento e substrato dodispositivos ópticosabsorben os fotóns incidentes e quéntanos. Isto pode levar á distorsión da rede cristalina do material. A expansión térmica, o rachado, a fusión e a deformación da rede son os mecanismos comúns de dano térmico destesfontes láser.

Non obstante, para os láseres ultrarrápidos, a propia duración do pulso é máis rápida que a escala de tempo da transferencia de calor do láser á rede material, polo que o efecto térmico non é a principal causa dos danos inducidos polo láser. En cambio, a potencia máxima do láser ultrarrápido transforma o mecanismo de dano en procesos non lineais como a absorción e a ionización de fotóns múltiples. É por iso que non é posible simplemente reducir a clasificación LDT dun pulso de nanosegundos á dun pulso ultrarrápido, porque o mecanismo físico de dano é diferente. Polo tanto, nas mesmas condicións de uso (por exemplo, lonxitude de onda, duración do pulso e taxa de repetición), un dispositivo óptico cunha clasificación LDT suficientemente alta será o mellor dispositivo óptico para a súa aplicación específica. As ópticas probadas en diferentes condicións non son representativas do rendemento real das mesmas ópticas no sistema.

Figura 1: Mecanismos de dano inducido por láser con diferentes duracións de pulso