El problema

Los láseres hacen todo tipo de cosas geniales en la investigación y en las aplicaciones, y hay muchas buenas razones para ello, incluida su coherencia, estabilidad de frecuencia y capacidad de control, pero para algunas aplicaciones, lo que realmente importa es la potencia bruta.

Como un ejemplo simple, durante mucho tiempo se entendió que si la intensidad de la luz aumenta lo suficiente, entonces la suposición de linealidad que sustenta gran parte de la óptica clásica se rompería, y los fenómenos ópticos no lineales como la generación de segundo armónico estarían disponibles, obteniendo luz. para hacer todo tipo de cosas interesantes. Usando fuentes de luz incoherentes, las intensidades requeridas son prohibitivamente altas, pero una vez que se inventó el láser, tomó solo un año hasta la primera demostración de la generación del segundo armónico , y unos pocos años después hasta la generación del tercer armónico , un tercer armónico. proceso no lineal de orden que requiere intensidades aún mayores.

Dicho de otra manera, la potencia importa, y cuanta más intensidad tenga disponible, más amplia será la gama de fenómenos ópticos no lineales que estará abierta para la exploración. Debido a esto, una gran parte de la ciencia del láser se ha centrado en aumentar las intensidades disponibles, generalmente utilizando láseres pulsados ​​para lograrlo y con hitos notables como el cambio de Q y el bloqueo de modo .

Sin embargo, si intenta seguir adelante con un amplificador láser más grande y más y más potencia, básicamente tarde o temprano está destinado a golpear una pared de ladrillos, bastante bruscamente, en forma de autoenfoque catastrófico . Esta es una consecuencia de otro efecto no lineal, el efecto Kerr , que ocurre dentro del propio medio láser. A primera vista, el efecto Kerr parece bastante inofensivo: básicamente, dice que si la intensidad es lo suficientemente alta, el índice de refracción del material aumentará ligeramente, en proporción a la intensidad:

• la intensidad de la luz será mayor en el centro, lo que significa que el índice de refracción será mayor en el centro.
• En otras palabras, las propiedades ópticas del material se parecerán a las de una lente convexa y tenderá a enfocar el haz.
• Esto tenderá a hacer que el haz sea más nítido, lo que aumentará la intensidad en el centro, lo que aumentará aún más el índice de refracción en el centro...
• ... que luego enfocará el haz aún más estrechamente, lo que conducirá a intensidades cada vez más altas.

Esto constituye un ciclo de retroalimentación positiva, y si la intensidad inicial es lo suficientemente alta, el medio es lo suficientemente largo y no hay suficiente difracción inicial para contrarrestarlo, entonces se saldrá de control y causará daños catastróficos inducidos por láser en el mismo medio que está tratando de usar para amplificar ese rayo láser. (Además, es bastante común, particularmente en el aire, que el láser se difracte en el punto dañado y luego se vuelva a enfocar un poco más adelante, un fenómeno conocido como filamentación láser . Si hace las cosas mal , esto puede propagar una falla en el medio de ganancia hasta la destrucción de una línea de luz completa).

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Esto suena como un mecanismo funky, pero fue un gran obstáculo durante mucho tiempo. Si traza la intensidad de láser más alta disponible en diferentes momentos desde la invención del láser, sube rápidamente durante los años sesenta, y luego choca contra una pared y permanece así durante unos diez o quince años:

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Esto representa la barrera del autoenfoque de Kerr-lens, y en ese momento la única forma de superarla era construir un láser que fuera físicamente más grande, para diluir la intensidad en un medio de mayor ganancia para tratar de prevenir el problema. Hasta que, es decir, apareció la amplificación de pulso chirped para resolver el problema.

La solución

En esencia, la amplificación de pulso chirped (CPA) funciona diluyendo la luz, de modo que pueda amplificarse a una potencia total mayor sin alcanzar una intensidad peligrosa, pero lo hace extendiéndose en el tiempo , es decir, longitudinalmente a lo largo del pulso láser.

La secuencia básica consta de cuatro pasos:

1. En primer lugar, comienza con un pulso láser corto que desea amplificar

   

2. Luego lo estira en el tiempo, introduciendo un chirrido en la señal: es decir, usa algún tipo de elemento dispersivo, como un prisma o una rejilla de difracción, que descompone el pulso en todos sus colores constituyentes y envía las longitudes de onda más largas primero y luego las longitudes de onda más cortas duran. Esto reducirá naturalmente la intensidad del pulso.

   

   (¿Por qué "chirriar"? Porque el barrido ascendente (o descendente) de las frecuencias sobre el pulso es precisamente lo que le da a los chirridos de los pájaros su sonido característico).

3. Luego, pasa este pulso de menor intensidad a través de su amplificador láser, lo cual es seguro porque la intensidad instantánea está por debajo del umbral de daño de autoenfoque de su medio de ganancia.

   

4. Finalmente, pasa su pulso a través de un conjunto invertido de rejillas que anularán el retraso relativo entre las longitudes de onda más largas y más cortas de su pulso, juntándolos todos en un solo pulso de la misma forma y longitud que su pulso original. .

   

   ... pero con una potencia amplificada mucho más alta y con intensidades que serían imposibles de lograr de manera segura utilizando la amplificación directa del pulso.

La característica central que hace que el método funcione es el hecho de que, cuando se realiza correctamente, el estiramiento del pulso conservará por completo la coherencia entre los diferentes componentes de frecuencia, lo que significa que es completamente reversible y cuando agrega un chirrido de cancelación, el pulso se recuperará. vuelve a su forma inicial.

Además, el método se basa en el hecho de que la emisión estimulada duplicará completamente, de forma coherente, los fotones que está amplificando, lo que significa que los fotones que introduce la amplificación tendrán las mismas características de frecuencia y fase que el pulso inicial. , lo que significa que cuando elimina el chirrido del pulso amplificado, los fotones agregados también se comprimirán en un sobre apretado.

Aplicaciones

Como dije al principio, el CPA es particularmente útil en lugares donde la potencia del láser sin procesar, y particularmente la potencia del láser concentrada , es de suma importancia. Aquí hay unos ejemplos:

• De la misma manera que los láseres nos dieron la óptica no lineal, el CPA ha sido parte integral del desarrollo de la generación de armónicos de alto orden que ha superado los armónicos de segundo o tercer orden para producir felizmente decenas o cientos de armónicos. (El récord actual llega hasta el armónico 5000 ).

  Esto no es solo 'más', es cualitativamente diferente: lleva la óptica no lineal a regímenes en los que la expansión perturbativa habitual se rompe por completo y necesita ser reemplazada por un conjunto completamente nuevo de herramientas, que giran en torno a las llamadas modelo de tres pasos , y que involucran una nueva interfaz agradable y bastante particular entre la mecánica clásica y la cuántica, donde las trayectorias existen (más o menos) pero en un tiempo y espacio de valores complejos, debido a la presencia de túneles cuánticos .

• También ha ayudado a impulsar el estudio de la interacción luz-materia más allá de ese mismo límite perturbativo, brindándonos las herramientas para extraer electrones de las moléculas y controlarlas de manera muy precisa, lo que permite la creación de herramientas como, por ejemplo , la difracción de electrones impulsada por láser . que se puede utilizar para obtener imágenes de las formas de las moléculas a medida que se doblan y sufren otras vibraciones.

• CPA también respalda varias medidas innovadoras que se mencionaron anteriormente en este sitio, incluida la observación de la forma de onda dependiente del tiempo de un pulso de luz , que se realiza utilizando radiación armónica de alto orden; la observación de las oscilaciones de carga cuando los átomos se colocan en estados excitados , nuevamente usando HHG; o realizar una holografía de electrones desde un objetivo atómico utilizando electrones extraídos de ese mismo átomo.

• Por supuesto, todas las geniales cosas QED impulsadas por láser en la parte superior de ese segundo diagrama: si su láser es lo suficientemente fuerte como para que, si libera un electrón en el foco, la energía cinética de sus oscilaciones excederá$m_e c^2$, entonces puede comenzar a tener cosas como la creación de pares impulsada por láser y todo tipo de cosas divertidas. Parte de esto ya está sobre la mesa, parte está en planes factibles para el futuro y todo es posible gracias a CPA.

• El CPA también es extremadamente útil para proporcionar ráfagas de energía muy controladas a los materiales. Esto es extremadamente útil en el micromecanizado láser , por ejemplo, donde se usa de forma rutinaria, por ejemplo, usando pulsos láser cortos para grabar guías de ondas en dieléctricos, que luego son extremadamente útiles para la computación cuántica basada en chips y el procesamiento de información cuántica.

• De manera similar, la capacidad de administrar ráfagas de energía controladas con precisión es extremadamente útil en la microcirugía láser, y existen varios tipos de cirugía ocular que utilizan exclusivamente pulsos de CPA para proporcionar "golpes" de energía precisos que realizan incisiones más limpias.

• En una escala mucho mayor, cuando realmente aumenta la potencia al máximo, el CPA es un componente vital de la aceleración del campo de estela láser , que utiliza el bolsillo ionizado que deja un pulso láser intenso a medida que viaja a través de un gas para acelerar electrones a energías. que de otro modo requerirían un acelerador de partículas extremadamente grande, pero que ahora están disponibles utilizando un sistema láser de mesa mucho más modesto.

Otras lecturas

Algunos recursos adicionales para leer más:

• Los antecedentes científicos del Premio Nobel y los documentos de información popular son una excelente lectura, y la gente no busca en esas fuentes lo suficientemente cerca. ¡Ve a verlos!

• El artículo original: Compresión de pulsos ópticos chirriados amplificados. D. Strickland y G. Mourou. Comunicaciones ópticas. 55 , 447 (1985) .

• ¿Para qué limitaciones de potencia se diseñó el radar chirp? , una pregunta mía anterior sobre tecnologías de radar similares anteriores a la CPA.

• Este es un buen tutorial sobre U Michigan .

Como complemento a la excelente revisión de @EmilioPisanty, me gustaría mencionar una aplicación más de los láseres CPA, que puede pasarse por alto desde la perspectiva de un teórico:

Espectroscopia ultrarrápida

A veces, los procesos no lineales de orden inferior, como la generación de segundo armónico, son suficientes; solo necesita que se hagan de manera eficiente para fines prácticos.

Los láseres basados ​​en amplificadores de pulso chirrido, que tienen pulsos con energía ~ 5 mJ y duración ~ 30 fs, son la columna vertebral de todas las técnicas espectroscópicas de sonda de bombeo ultrarrápidas, excepto las más simples. Esto se debe a que dichos pulsos permiten no linealidades eficientes de bajo orden, como la generación de suma de frecuencias, la amplificación paramétrica óptica, etc., que han ampliado enormemente el espacio de parámetros de este tipo de experimentos. La gente es inteligente, y cuando se les da energía láser más que suficiente para trabajar, se les ocurren trucos cada vez más complejos para descubrir la verdad.

Sin lanzarnos a una revisión de miles de resultados de investigaciones espectroscópicas ultrarrápidas, baste decir que la humanidad sabe mucho más sobre cómo opera el mundo en escalas de tiempo de picosegundos y subpicosegundos (en campos tan dispares como la física de la materia condensada y la biología cuántica) gracias a los láseres basados ​​en CPA.