Lasers: entendendo o básico

O dispositivo Q-switch real é um modulador óptico-acústico ou um modulador eletro-óptico (EOM). Ambos usam cristais onde um campo elétrico aplicado produz alguma perturbação nas propriedades ópticas do cristal. No caso dos moduladores acústico-ópticos, o campo elétrico aplicado é uma tensão de radiofrequência que produz uma onda sonora de alta frequência no cristal. Esta onda sonora difrata os fótons do laser e evita a amplificação do laser. Em vez disso, os EOMs usam uma alta tensão aplicada que modifica o índice de refração do cristal e altera a polarização da luz que entra; uma combinação apropriada de óptica sensível à polarização pode ser colocada na cavidade para evitar a circulação de luz de polarização alterada. Outros tipos de lasers, como lasers excimer, não requerem um Q-switch para produzir pulsos de nanossegundos, mas dependem de um transiente pulso de bomba: Os pulsos de laser Excimer são produzidos pela excitação da mistura de gás nobre/halogênio com uma descarga elétrica poderosa e curta. Os lasers de Ti:safira também podem produzir pulsos de nanossegundos se forem bombeados com um pulso de luz verde de nanossegundos produzido por um laser YAG com Q-switch com frequência duplicada. Este método é chamado de comutação de ganho porque o ganho da cavidade, e não a perda da cavidade, é alterado diretamente. Além de um grande número de aplicações industriais, os lasers Q-switched têm aplicações importantes na pesquisa científica. Um deles é o bombeamento de amplificadores ultrarrápidos Ti: safira (descritos na seção a seguir) usando a saída de frequência duplicada (verde) de um Nd: YAG ou Nd: YLF comutado Q em 1-10 kHz. Outra é usar o laser YAG ou YLF para produzir energias por pulso na faixa de joule de 1 a 100 Hz. Esses lasers são frequentemente usados ​​com geradores ópticos não lineares que podem produzir comprimentos de onda ajustáveis ​​na região UV, visível e IR, permitindo estudos resolvidos no tempo e no comprimento de onda. Hoje em dia, a maioria dos lasers YAG ou YLF operando a >100 Hz são bombeados por diodo, enquanto os sistemas de alta energia de 10 Hz requerem bombeamento com uma lâmpada de flash porque os diodos não são adequados para produzir pulsos de saída de alta energia. desejável ter um laser Q-switched de largura de linha estreita. Em alguns casos, isto pode ser conseguido utilizando uma combinação de redes ópticas e etalons; em outros casos, o laser pode ser “semeado” com um laser CW de baixa potência ou laser de largura de linha estreita Q-switched que é mais fácil de controlar do que o estágio de maior potência. Essa abordagem, chamada de “semeadura por injeção”, usa um MOPA (oscilador mestre, amplificador de potência), dividindo conceitualmente a seleção de largura de linha e a geração de alta potência em dois estágios que são projetados de maneira ideal para os dois propósitos.Lasers ultrarrápidos Lasers ultrarrápidos são geralmente definidos como lasers que produzem pulsos na faixa de 5 fs a 100 ps (1 femtossegundo = 10-15 segundos). Se um laser for capaz de oscilar em muitos modos longitudinais, esses pulsos curtos podem ser produzidos com a chamada técnica de bloqueio de modo. Com esta técnica, os modos são bloqueados em fase (regime de bloqueio de modo) e sua interferência coerente faz com que o campo óptico intracavitário entre em colapso em um único pulso viajando para frente e para trás na cavidade do laser. Cada vez que o pulso atinge o espelho de saída, parte dele é acoplada e fica disponível.

A física mostra que quanto mais modos interferem, menor é a duração do pulso (Figura 7). Como larguras de banda de laser maiores suportam um número maior de modos de oscilação, a duração do pulso é inversamente proporcional à largura de banda do material de ganho do laser. Na ausência de dispersão, esses pulsos são limitados no tempo e na largura de banda, ou seja, têm o menor comprimento possível para uma determinada largura de banda.

Pulsos ultrarrápidos são altamente úteis em pesquisas; graças à curta duração do pulso e à alta potência de pico, o advento dos lasers de femtosegundo na década de 1990 possibilitou pesquisas inovadoras que levaram a prêmios Nobel de femtoquímica (espectroscopia de sonda de bomba) e geração de pente óptico. Os lasers de femtosegundo também possibilitaram técnicas de excitação multifotônica (MPE) que fornecem imagens tridimensionais de tecido vivo. O MPE é agora amplamente utilizado em diversas áreas da pesquisa biológica, principalmente na neurociência.