Desarrollan fuentes de láser para aplicaciones en óptica

MORELIA, Mich., 7 de diciembre de 2013.- En la investigación óptica, el desarrollo de fuentes láser de femtosegundos ha dado lugar a un campo relativamente nuevo: la óptica ultrarrápida.

“Si la gente escucha la palabra óptica piensa en lentes, microscopios o telescopios, pero éstos integran sólo una disciplina de esta rama de la física encargada del estudio de la interacción de la luz con la materia”, señaló Jesús Garduño Mejía, del Laboratorio de Pulsos Ultracortos del Grupo de Óptica No Lineal, del Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico (CCADET) de la UNAM.

Con base en esta definición, la óptica se divide en diversos campos, entre los cuales está la ultrarrápida, que consiste en el estudio de la generación, medición, manipulación e interacción de pulsos láser (breves e intensos) con la materia.

“Un femtosegundo es una unidad de tiempo equivalente a la milbillonésima parte de un segundo; se obtiene al dividir un segundo entre un millón, a este resultado entre un millón y a lo que se obtiene de esto, entre mil. Numéricamente se expresa 0.000 000 000 000 001 o 10-15 seg, es decir, 10 a la menos 15 segundos. Ésta es la escala de tiempo con la que se trabaja en este campo”, explicó.

Los pulsos de femtosegundos son los fenómenos más breves que se han creado directamente de una cavidad láser en laboratorio.

“Por sus características, pueden ser útiles en la industria para hacer perforaciones pequeñas y precisas durante el procesamiento de materiales, en las telecomunicaciones para transportar más información, en la medicina para llevar a cabo cirugías con cortes finos en tejidos o estudios no invasivos de detección de cáncer y en biología para efectuar estudios in vitro de diversos organismos con técnicas de microscopía de alta resolución (microscopía no lineal)”, añadió Garduño Mejía.

Potencia pico

Los apuntadores utilizados en los salones de clases o salas de conferencias por profesores y conferencistas son los láseres más comunes. Se les conoce como continuos porque mientras se mantenga apretado un botón, se produce una emisión.

“Si la midiéramos durante un segundo y luego comprimiéramos esa energía de tal manera que, en lugar del lapso referido durara la mitad, la potencia se duplicaría, pero la energía sería la misma”, indicó el académico.

De esta manera, al continuar con la compresión en un tiempo cada vez más breve, la potencia crece. A esto se le conoce como potencia pico, concepto fundamental detrás de los pulsos láser.

Ahora, uno continuo se puede convertir en uno pulsado al comprimir su energía mediante dos mecanismos: electrónicos y ópticos. Los primeros están limitados por la rapidez de los dispositivos, en tanto que los otros son ultrarrápidos, de femtosegundos. Por esta razón, los láseres pulsados en este último orden funcionan a partir de la auto-modulación óptica.

“Esto significa que, bajo determinadas condiciones particulares de diseño y la correcta alineación de los componentes, las propiedades de la luz generada 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 instantánea, lo que da origen a pulsos ultracortos”.

Los mecanismos encargados de esta auto-modulación están relacionados con efectos estudiados en otra disciplina llamada óptica no lineal.

Procesos no lineales

Debido a sus potencias pico muy elevadas en tiempos breves —del orden de cientos de kilowatts por pulso—, los paquetes de luz comprimida emitidos por las fuentes láser de femtosegundos pueden generar fenómenos ópticos llamados procesos no lineales.

“Un ejemplo son los armónicos, producidos si una luz láser 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. Así, al interactuar con cierto tipo de cristal, un pulso puede transformar la luz roja en azul”, señaló Garduño Mejía.

Con fuentes láser de femtosegundos también se pueden generar supercontinuos, pulsos de luz 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 metrología.

Procesos ultrarrápidos en materiales

En el Laboratorio de Pulsos Ultracortos del CCADET, Garduño Mejía y sus colaboradores aprovechan la elevada potencia pico y la alta resolución temporal generada por esta clase de láseres para estudiar la dinámica de los electrones o de los portadores de carga en superficies de metales y semiconductores al ser excitados.

“Con un pulso intenso llamado bombeo excitamos las superficies de metales o semiconductores; con otra réplica del pulso, pero con menor intensidad —llamado ‘de prueba’— observamos el cambio que produce el primero en las muestras. Es decir, con uno intenso provocamos un cambio y con el otro tomamos una secuencia de ‘fotos’ con resolución de femtosegundos para obtener una especie de película del evento completo que puede durar algunos picosegundos (10-12 seg). No es algo que se pueda realizar sólo con un detector electrónico debido a sus limitados tiempos de respuesta. Esta técnica se conoce como espectroscopía de resolución temporal ultrarrápida”.

Lo que se provoca son efectos térmicos a escalas pequeñas relacionados directamente con la dinámica de los electrones.

Las consideraciones térmicas constituyen un asunto esencial en relación con los microdispositivos electrónicos de alta velocidad. Hoy, las altas tasas de repetición y el buen desempeño de los aparatos son posibles sólo con la reducción de tamaño de sus elementos activos, lo que, a su vez, tiene como consecuencia la generación y concentración de calor a niveles que pueden ser críticos.

“El mejor entendimiento de los mecanismos de transferencia de energía y de los efectos térmicos a escalas pequeñas pueden determinar los criterios para el diseño de productos confiables”.

Por otro lado, en el procesamiento de materiales, el mejor entendimiento de la transferencia y distribución de energía durante la excitación es importante para lograr perforaciones o cortes más finos por ablación láser.

El académico universitario refirió que con las nuevas tecnologías se ha desarrollado la óptica en attosegundos, es decir, 10-18 segundos.

“Sin embargo, para producir estos pulsos es necesaria una tecnología diferente. Uno puede comprar una fuente comercial de femtosegundos, pero no hay una que genere attosegundos; hay que producirlos fuera de una fuente láser de femtosegundos. Hasta hoy, los que se han logrado son de algunas decenas de attosegundos. Con ellos se pueden estudiar, por medio de técnicas de espectroscopía de resolución temporal, procesos dinámicos todavía más breves a escalas subatómicas”, concluyó.