Adelantos en el campo de la óptica ultrarrápida
_ En la investigación óptica, el desarrollo de las denominadas fuentes láser de femtosegun-dos ha dado lugar a un campo relativamente nuevo: el de la óptica ultrarrápida.
“En general, si la gente escucha hablar de óptica, piensa en lentes, microscopios o telescopios, pero éstos integran sólo una disciplina de la óptica, porque esta rama de la FÃsica se encarga del estudio de la interacción de la luz con la materiaâ€, dijo Jesús Garduño MejÃa, del Laboratorio de Pulsos Ultracortos del Grupo de Óptica No Lineal, del Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico (CCADET).
Con base en esta definición, la óptica se divide en diversos campos, uno de los cuales es precisamente el de la óptica ultrarrápida, que consiste en el estudio de la generación, medición, manipulación e interacción de pulsos láser muy breves e intensos con la materia.
Definición:
“Un femtosegundo es una unidad de tiempo que equivale a la mil-billonésima parte de un segundo; se obtiene al dividir un segundo entre un millón; y al resultado, entre un millón; y a su vez esto, entre mil. Numéricamente se expresa asÃ: 0.000 000 000 000 001 ó 10-15 seg, es decir, 10 a la menos 15 segundos. Ésta es la escala de tiempo con que se trabaja en el campo de la óptica ultrarrápidaâ€, explicó el académico. Los pulsos de femtosegundos son los fenómenos más breves que se han creado directamente de una cavidad láser en laboratorio. “Por sus caracterÃsticas pueden ser muy útiles en la industria para hacer perforaciones pequeñas y cortes muy precisos durante el procesamiento de materiales; en las telecomunicaciones, para transportar más información; en la medicina, para efectuar cirugÃas con cortes muy finos en tejidos o estudios no invasivos de detección de cáncer; y en la biologÃa, para efectuar estudios in vitro de diversos organismos con técnicas de microscopÃa de alta resolución (microscopÃa no lineal)â€, añadió.
Potencia pico:
Los apuntadores utilizados en los salones de clases o las salas de conferencias por profesores y conferenciantes son actualmente los láseres más comunes. Se les conoce como láseres continuos porque mientras se mantiene apretado el botón se está produciendo una emisión láser. “Si midiéramos la emisión de un láser continuo durante un segundo y luego esa energÃa fuera comprimida de tal manera que, en lugar de que se emitiera en un segundo, se hiciera en medio segundo, la potencia se duplicarÃa, pero la energÃa seguirÃa siendo la mismaâ€, indicó.
De esta manera, al continuar comprimiendo la energÃa en un tiempo cada vez más breve, la potencia crece. A esto se le denomina potencia pico, concepto esencial que está detrás de los pulsos láser.
Ahora bien, un láser continuo se puede convertir en un láser pulsado al comprimir su energÃa mediante dos tipos de mecanis-mos: electrónicos y ópticos.
Los mecanismos electrónicos están limitados por la rapidez de los dispositivos, en tanto que los ópticos son ultrarrápidos, del orden de femtosegundos. Por esta razón, los láseres pulsados de femtosegundos funcionan a partir de la automodulación óptica.
“Esto significa que, en determinadas condiciones particulares de diseño y la correcta alineación de los componentes del láser, las propiedades de la luz que se genera dentro de la cavidad pueden ser modificadas (moduladas) por ella misma al interaccionar con el medio activo (el material que produce la luz láser) en una forma prácticamente instantánea, lo que da origen a pulsos ultracortos.â€
Los mecanismos encargados de esta automodulación están relacionados con efectos que se estudian en otra disciplina de la óptica llamada óptica no lineal.
Procesos no lineales:
Gracias a sus potencias pico muy elevadas en tiempos muy breves, del orden de cientos de kilovatios por pulso, los paquetes de luz comprimida emitidos por las fuentes láser de femtosegun-dos generan ciertos fenómenos ópticos conocidos como procesos no lineales. “Por ejemplo, los armónicos, los cuales se producen cuando una luz láser muy intensa interactúa con cierto tipo de materiales y éstos a su vez convierten la luz incidente en otros colores que corresponden a múltiplos de la frecuencia original. AsÃ, al interactuar con cierto tipo de cristal, un pulso de luz puede transformar luz roja en azulâ€, señaló Garduño MejÃa. Con fuentes láser de femtosegundos también es posible generar supercontinuos, pulsos de luz muy intensos enfocados con un tipo especial de fibra que produce luz blanca; éstos pueden aprovecharse en la construcción de peines de frecuencias ópticas, utilizados en metrologÃa.
Consideraciones térmicas:
En el Laboratorio de Pulsos Ultracortos del CCADET, Garduño MejÃa y sus colaboradores aprovechan la elevada potencia pico y la alta resolución temporal generada por esta clase de láseres, para estudiar cómo es la dinámica de los electrones o de los portadores de carga en superficies de metales y semiconductores al ser excitados. “Con un pulso muy intenso, llamado bombeo, excitamos las superficies de metales o semiconductores, y con otra réplica del pulso pero con mucho menor intensidad, llamado pulso de prueba, observamos el cambio que produce el primero en las muestras. Es decir, con uno intenso ocasionamos un cambio y con el otro tomamos una secuencia de fotos con resolución de femtosegundos para obtener una especie de pelÃcula del evento completo que puede durar algunos picosegundos (10-12 seg). No es algo que se pueda realizar sólo con un detector electrónico, por sus limitados tiempos de respuesta. Esta técnica es conocida como espectroscopÃa de resolución temporal ultrarrápida.†Lo que se origina básicamente son efectos térmicos a escalas muy pequeñas que estarán relacionados directamente con la dinámica de los electrones. Las consideraciones térmicas constituyen un asunto esencial en relación con los microdispositivos electrónicos de alta velocidad. Actualmente, las altas tasas de repetición y el buen desempeño de los dispositivos son posibles sólo con la reducción de tamaño de sus elementos activos, lo cual, a su vez, tiene como consecuencia la generación y concentración de calor a niveles que pueden ser crÃticos. “El mejor entendimiento de los mecanismos de transferencia de energÃa y de los efectos térmicos a escalas pequeñas pueden determinar los criterios para el diseño de productos confiables.â€
Por otro lado, en el procesamiento de materiales, el mejor entendimiento de la transferencia y distribución de energÃa durante la excitación es importante para lograr perforaciones o cortes más finos por la ablasión láser. El académico universitario refirió que con las nuevas tecnologÃas se ha venido desarrollando la óptica en attosegunos, es decir, 10-18 segundos. “Sin embargo, para producir estos pulsos es necesaria una tecnologÃa totalmente diferente. Uno puede comprar una fuente comercial de femtosegundos; sin embargo, no hay fuentes que generen attosegundos; uno tiene que crearlos fuera de una fuente láser de femtosegundos. Hasta hoy, los pulsos de attosegundos que se han logrado formar son de algunas decenas de attosegundos. Con ellos se pueden estudiar, por medio de técnicas de espectroscopÃa de resolución temporal, procesos dinámicos todavÃa más breves a escalas subatómicasâ€, afirmó.
Sistemas de caracterización:
Por lo general, las fuentes láser de femtosegundos son adquiridas en forma comercial a costos que representan una limitante para trabajar en el campo de la óptica ultrarrápida. Garduño MejÃa y sus colaboradores diseñan y construyen estas fuentes a costos que pueden representar la quinta parte de las comerciales. Es importante decir que, cuando se trabaja con pulsos de femtosegundos, una limitante es su medición y manipulación para prevenir que se ensanchen o deformen. “No existen dispositivos elec-trónicos que sean lo suficientemente rápidos como para medir pulsos de femtosegundos; de ahà que sea indispensable hacerlo con otras técnicas que involucran óptica no lineal y electrónica.†Los académicos universitarios se han dedicado, asimismo, al desarrollo de sistemas de caracterización de pulsos láser ultracortos y al estudio de la manipulación de éstos para evitar que se ensanchen o para darles algún perfil temporal deseado mediante técnicas de óptica adaptativa. “En el CCADET colaboramos con otros grupos de investigación; también lo hacemos con otras instituciones, como Ciencias Nucleares de la UNAM y el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional.†Además de producir su propia infraestructura para sus indagaciones y posteriores aplicaciones, el Grupo de Óptica No Lineal del CCADET tiene otra labor fundamental: formar estudiantes de nivel licenciatura y de posgrado en el desarrollo de estas tecnologÃas de punta.
Anchos de banda más grandes:
Una caracterÃstica de los láseres continuos es que tienen lÃneas bien definidas, es decir, colores puros, lo que significa que sus anchos de banda son muy pequeños. Con los láseres pulsados ocurre lo contrario: entre más angostos sean los pulsos, sus anchos de banda serán más grandes. Esto incide en la cantidad de información que puede ser enviada a través de ellos en sistemas de telecomunicaciones.
“En general, si la gente escucha hablar de óptica, piensa en lentes, microscopios o telescopios, pero éstos integran sólo una disciplina de la óptica, porque esta rama de la FÃsica se encarga del estudio de la interacción de la luz con la materiaâ€, dijo Jesús Garduño MejÃa, del Laboratorio de Pulsos Ultracortos del Grupo de Óptica No Lineal, del Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico (CCADET).
Con base en esta definición, la óptica se divide en diversos campos, uno de los cuales es precisamente el de la óptica ultrarrápida, que consiste en el estudio de la generación, medición, manipulación e interacción de pulsos láser muy breves e intensos con la materia.
Definición:
“Un femtosegundo es una unidad de tiempo que equivale a la mil-billonésima parte de un segundo; se obtiene al dividir un segundo entre un millón; y al resultado, entre un millón; y a su vez esto, entre mil. Numéricamente se expresa asÃ: 0.000 000 000 000 001 ó 10-15 seg, es decir, 10 a la menos 15 segundos. Ésta es la escala de tiempo con que se trabaja en el campo de la óptica ultrarrápidaâ€, explicó el académico. Los pulsos de femtosegundos son los fenómenos más breves que se han creado directamente de una cavidad láser en laboratorio. “Por sus caracterÃsticas pueden ser muy útiles en la industria para hacer perforaciones pequeñas y cortes muy precisos durante el procesamiento de materiales; en las telecomunicaciones, para transportar más información; en la medicina, para efectuar cirugÃas con cortes muy finos en tejidos o estudios no invasivos de detección de cáncer; y en la biologÃa, para efectuar estudios in vitro de diversos organismos con técnicas de microscopÃa de alta resolución (microscopÃa no lineal)â€, añadió.
Potencia pico:
Los apuntadores utilizados en los salones de clases o las salas de conferencias por profesores y conferenciantes son actualmente los láseres más comunes. Se les conoce como láseres continuos porque mientras se mantiene apretado el botón se está produciendo una emisión láser. “Si midiéramos la emisión de un láser continuo durante un segundo y luego esa energÃa fuera comprimida de tal manera que, en lugar de que se emitiera en un segundo, se hiciera en medio segundo, la potencia se duplicarÃa, pero la energÃa seguirÃa siendo la mismaâ€, indicó.
De esta manera, al continuar comprimiendo la energÃa en un tiempo cada vez más breve, la potencia crece. A esto se le denomina potencia pico, concepto esencial que está detrás de los pulsos láser.
Ahora bien, un láser continuo se puede convertir en un láser pulsado al comprimir su energÃa mediante dos tipos de mecanis-mos: electrónicos y ópticos.
Los mecanismos electrónicos están limitados por la rapidez de los dispositivos, en tanto que los ópticos son ultrarrápidos, del orden de femtosegundos. Por esta razón, los láseres pulsados de femtosegundos funcionan a partir de la automodulación óptica.
“Esto significa que, en determinadas condiciones particulares de diseño y la correcta alineación de los componentes del láser, las propiedades de la luz que se genera dentro de la cavidad pueden ser modificadas (moduladas) por ella misma al interaccionar con el medio activo (el material que produce la luz láser) en una forma prácticamente instantánea, lo que da origen a pulsos ultracortos.â€
Los mecanismos encargados de esta automodulación están relacionados con efectos que se estudian en otra disciplina de la óptica llamada óptica no lineal.
Procesos no lineales:
Gracias a sus potencias pico muy elevadas en tiempos muy breves, del orden de cientos de kilovatios por pulso, los paquetes de luz comprimida emitidos por las fuentes láser de femtosegun-dos generan ciertos fenómenos ópticos conocidos como procesos no lineales. “Por ejemplo, los armónicos, los cuales se producen cuando una luz láser muy intensa interactúa con cierto tipo de materiales y éstos a su vez convierten la luz incidente en otros colores que corresponden a múltiplos de la frecuencia original. AsÃ, al interactuar con cierto tipo de cristal, un pulso de luz puede transformar luz roja en azulâ€, señaló Garduño MejÃa. Con fuentes láser de femtosegundos también es posible generar supercontinuos, pulsos de luz muy intensos enfocados con un tipo especial de fibra que produce luz blanca; éstos pueden aprovecharse en la construcción de peines de frecuencias ópticas, utilizados en metrologÃa.
Consideraciones térmicas:
En el Laboratorio de Pulsos Ultracortos del CCADET, Garduño MejÃa y sus colaboradores aprovechan la elevada potencia pico y la alta resolución temporal generada por esta clase de láseres, para estudiar cómo es la dinámica de los electrones o de los portadores de carga en superficies de metales y semiconductores al ser excitados. “Con un pulso muy intenso, llamado bombeo, excitamos las superficies de metales o semiconductores, y con otra réplica del pulso pero con mucho menor intensidad, llamado pulso de prueba, observamos el cambio que produce el primero en las muestras. Es decir, con uno intenso ocasionamos un cambio y con el otro tomamos una secuencia de fotos con resolución de femtosegundos para obtener una especie de pelÃcula del evento completo que puede durar algunos picosegundos (10-12 seg). No es algo que se pueda realizar sólo con un detector electrónico, por sus limitados tiempos de respuesta. Esta técnica es conocida como espectroscopÃa de resolución temporal ultrarrápida.†Lo que se origina básicamente son efectos térmicos a escalas muy pequeñas que estarán relacionados directamente con la dinámica de los electrones. Las consideraciones térmicas constituyen un asunto esencial en relación con los microdispositivos electrónicos de alta velocidad. Actualmente, las altas tasas de repetición y el buen desempeño de los dispositivos son posibles sólo con la reducción de tamaño de sus elementos activos, lo cual, a su vez, tiene como consecuencia la generación y concentración de calor a niveles que pueden ser crÃticos. “El mejor entendimiento de los mecanismos de transferencia de energÃa y de los efectos térmicos a escalas pequeñas pueden determinar los criterios para el diseño de productos confiables.â€
Por otro lado, en el procesamiento de materiales, el mejor entendimiento de la transferencia y distribución de energÃa durante la excitación es importante para lograr perforaciones o cortes más finos por la ablasión láser. El académico universitario refirió que con las nuevas tecnologÃas se ha venido desarrollando la óptica en attosegunos, es decir, 10-18 segundos. “Sin embargo, para producir estos pulsos es necesaria una tecnologÃa totalmente diferente. Uno puede comprar una fuente comercial de femtosegundos; sin embargo, no hay fuentes que generen attosegundos; uno tiene que crearlos fuera de una fuente láser de femtosegundos. Hasta hoy, los pulsos de attosegundos que se han logrado formar son de algunas decenas de attosegundos. Con ellos se pueden estudiar, por medio de técnicas de espectroscopÃa de resolución temporal, procesos dinámicos todavÃa más breves a escalas subatómicasâ€, afirmó.
Sistemas de caracterización:
Por lo general, las fuentes láser de femtosegundos son adquiridas en forma comercial a costos que representan una limitante para trabajar en el campo de la óptica ultrarrápida. Garduño MejÃa y sus colaboradores diseñan y construyen estas fuentes a costos que pueden representar la quinta parte de las comerciales. Es importante decir que, cuando se trabaja con pulsos de femtosegundos, una limitante es su medición y manipulación para prevenir que se ensanchen o deformen. “No existen dispositivos elec-trónicos que sean lo suficientemente rápidos como para medir pulsos de femtosegundos; de ahà que sea indispensable hacerlo con otras técnicas que involucran óptica no lineal y electrónica.†Los académicos universitarios se han dedicado, asimismo, al desarrollo de sistemas de caracterización de pulsos láser ultracortos y al estudio de la manipulación de éstos para evitar que se ensanchen o para darles algún perfil temporal deseado mediante técnicas de óptica adaptativa. “En el CCADET colaboramos con otros grupos de investigación; también lo hacemos con otras instituciones, como Ciencias Nucleares de la UNAM y el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional.†Además de producir su propia infraestructura para sus indagaciones y posteriores aplicaciones, el Grupo de Óptica No Lineal del CCADET tiene otra labor fundamental: formar estudiantes de nivel licenciatura y de posgrado en el desarrollo de estas tecnologÃas de punta.
Anchos de banda más grandes:
Una caracterÃstica de los láseres continuos es que tienen lÃneas bien definidas, es decir, colores puros, lo que significa que sus anchos de banda son muy pequeños. Con los láseres pulsados ocurre lo contrario: entre más angostos sean los pulsos, sus anchos de banda serán más grandes. Esto incide en la cantidad de información que puede ser enviada a través de ellos en sistemas de telecomunicaciones.
