Oscilador Láser Pulsado

El láser Neodimio-YAG consiste en una varilla de un material que se puede bombear por una lámpara flash, con una frecuencia de unos 15 Hz. La salida es Q-conmutada y modo-bloqueada con el uso de un absorbente saturable y un modulador acústico-óptico. La salida consiste en una envoltura de pulsos que se puede sintonizar para su optimización ajustando los espejos, ajustando los prismas para cambiar la distancia óptica, ajustando el cristal del modulador acústico-óptico, y ajustando la frecuencia del modulador.

Conmutación Q

La conmutación Q de un láser se refiere a las técnicas para la obtención de breves pulsos de alta energía, en lugar de una operación de onda continua. Esto ayuda a la operación de un oscilador láser pulsado. La idea básica es que sólo por un tiempo breve, se permite al haz el paso de ida y vuelta entre los espejos para lograr la acción del láser, pero la acción de bombeo es continua, de modo que una gran inversión de población está esperando a que se cumpla la condición de láser. La conmutación Q se realiza generalmente con un acoplador acústico-óptico, o un dispositivo electroóptico.

La Q de un circuito resonante es la frecuencia de resonancia, dividida por el ancho de banda de la resonancia, y es una medida de la agudeza de la resonancia. Cuando ocurre la acción láser, el Q es muy alto debido a que se obtiene amplificación óptica solamente para un rango muy estrecho de frecuencias, por múltiples pasos entre los espejos del sistema láser. Si por cualquier mecanismo se impidiera realizar estos múltiples pases, entonces la Q es extremadamente baja con la consiguiente pérdida de la amplificación láser. Por esta razón se hace la "conmutación Q", para controlar el encendido y apagado del láser y ayudar a alcanzar el bloqueo de modos.

Bloqueo de Modos en el Láser

Una cavidad láser tiene un gran número de modos de ondas estacionarias longitudinales dentro de la envolvente espectral de la transición láser. A pesar de que el láser es de hecho, casi monocromático, los modos están tan cerca unos de otros, que puede haber muchos miles de ellos, dentro de ese estrecho rango de frecuencias. Si no hay ninguna influencia para elegir los modos, entonces el "ruido" cuántico aleatorio activará los modos de forma aleatoria, y la acción del láser puede ocurrir esencialmente de forma continua y con fases aleatorias respecto de los otros modos longitudionales. Si hubiera alguna influencia que conmute Q el láser para interrumpir la acción láser, y luego la permita a través de un breve estallido de luz, entonces ese pulso de luz hará uso de la inversión de población que ha acumulado en el intervalo y producirá un pulso mas fuerte. A esto ayuda la operación de un oscilador láser pulsado.

Una vez iniciado, un pulso "bloqueado" puede reciclar en la cavidad cada t=2L/c en tiempo, y si se permite el paso por el conmutador Q, el ciclo de un pulso cada 2L/c segundos será repetitivo.

El bloqueo de modos contribuye a la producción de pulsos cortos. En el momento del inicio del pulso cuando el conmutador Q "abre la puerta", los modos están bloqueados juntos con la misma fase en un momento dado. Debido a que los diferentes modos oscilan a frecuencias diferentes, pierden la coherencia de fase, y efectivamente pierden coherencia y se cancelan en un tiempo que es el inverso de la diferencia de la frecuencia global. Si hay una diferencia de frecuencia mas ancha, el pulso producido es más corto. Los láseres de colorante con anchos de banda extremadamente amplios se han utilizado para producir pulsos ultra cortos.

Modulador Acústico-Óptico

La luz que viaja a través de un cristal de cuarzo, se puede divergir de su camino por medio de una onda acústica. La luz puede ser dispersada fuera de las áreas de densidad alterada causadas por la onda acústica en un proceso llamado dispersión de Brillouin. Se hace una analogía con la dispersión de Bragg, en la cual, las ondas de sonido producen planos eficaces para la dispersión de las ondas incidentes. La luz que llega al punto directamente a lo largo de la trayectoria de la luz incidente, será modulada por la presencia de la onda acústica. Si ese camino es parte de la ruta de amplificación para producir la acción del láser, entonces la onda acústica "Q-switch", conmutará el láser entre encendido y apagado.

Un acoplador acústico-óptico realiza conmutación-Q, por la dispersión de la luz proveniente de las ondas acústicas en un cristal. La dispersión periódica de la luz reduce la "calidad" de la cavidad y previene la acción láser. La dispersión sólo es posible durante breves intervalos en que no hay ninguna acción del láser, por lo que los pulsos se producen en estos tiempos en que no hay un cambio de densidad a lo largo de la trayectoria de la luz a través del cristal.

Moller informa de las frecuencias aplicadas al cristal para la producción de las ondas estacionarias acústicas. Estas van desde algunos hertzios a 50 kHz para el modulador acústico-óptico, y los pulsos del láser resultante son del orden de 100 a 500 picosegundos.

Conmutación Q Electroóptica

El conmutador Q electroóptico, usa el efecto Pockels. Una célula Pockels entre polarizadores cruzados, normalmente no transmite la luz. Un pulso de tensión que gire el plano de polarización 90º ¡permitirá que la luz pase! y este efecto disparador, transmite un breve pulso de luz que permite la acción láser durante ese breve intervalo. KDP es un material común para la célula Pockels que puede ser utilizado para modulación hasta el rango de GHz.

Obturador de Célula de Colorante

Un colorante tal como el tinte de polimetino Eastman Kodak 9860, disuelto en dicloroetano, actúa como un absorbente saturable. Sometido a un pulso de 30 picosegundos, el tinte puede saturarse, volverse transparente y luego volverse de nuevo opaco, actuando como un obturador de aproximadamente 10 ps de duración. Este absorbente saturable se utiliza tanto para el láser conmutador Q como para el láser bloqueo de modo. El resultado puede ser un tren de pulsos de una duración de 1 microsegundo, con 10 ps de duración por pulso. Tal arsorbente saturable es un componente importante del oscilador láser.