El láser comercial que genera los pulsos de femtosegundos usados en los experimentos está compuesto por dos subsistemas: un oscilador láser (Tsunami, Spectra Physics) y un amplificador regenerativo de tipo CPA (Spifire Pro, Spectra Physics) con sus correspondientes láseres de bombeo (Figura 3.1).
El sistema genera pulsos láser de 1 mJ y 120 fs de duración temporal (anchura a media altura) a una frecuencia de repetición máxima de 1 kHz. La longitud de onda central y el ancho de banda empleados en los experimentos llevados a cabo son: λo = 800 nm y Δλ = 7.2 nm .
El medio de ganancia utilizado en ambos sistemas es un cristal de Ti:zafiro. En el medio se sustituye una pequeña proporción de los iones de aluminio Al3+ presentes en el zafiro, por iones de Ti3+ provenientes del óxido Ti2O3, modificándose así los niveles de energía. Al dopar el zafiro con iones de titanio resulta un espectro de emisión centrado en el infrarrojo, con un ancho de banda excepcionalmente amplio (ver figura 3.2). Por ello se elige este cristal como medio activo para sistemas láser de generación y amplificación de pulsos ultracortos.
Figura 3.2: Espectros de absorción y emisión para
el Ti:zafiro.
La etapa de generación de pulsos cuenta con un láser de bombeo y un oscilador de femtosegundos. La unidad de bombeo (Millenia, Spectra Physics) consiste en un láser continuo de estado sólido cuyo medio activo es un cristal dopado con iones Nd3+ (Nd:YVO4). El Millenia emite a una longitud de onda de 1064 nm y mediante un cristal doblador se duplica la frecuencia de bombeo del oscilador a 532 nm, cercana a la longitud de onda central del espectro de absorción del Ti:zafiro. El subsistema oscilador se basa en la técnica de anclado de modos. Utilizando esta técnica los modos longitudinales del láser oscilan en fase. Así en régimen pulsado el oscilador proporciona pulsos con un amplio ancho de banda de hasta 30 nm lo que corresponde a pulsos de aproximadamente 30 fs de duración. El sistema es sintonizable en el intervalo de 720 nm y 1050 nm por medio de un sistema de prismas y una apertura rectangular regulable. En particular para el
modelo de oscilador Tsunami el tiempo que tarda un pulso en recorrer el sistema completo (roundtrip, tiempo empleado en recorrer dos veces la distancia entre los espejos de la cavidad) es de 12.2 ns lo que proporciona una frecuencia de repetición de 82 MHz, con una energía cercana a la decena de nano Julios. El haz a la salida del oscilador atraviesa un filtro espectral de tipo Gaussiano que apodiza el ancho de banda espectral al requerido por la configuración actual del amplificador. En resumen, el haz que ingresa en el amplificador tiene una duración de pulso de 100 fs, a una longitud de onda central de 800 nm y con una energía por pulso de ~9
nJ y una frecuencia de repetición de 82 MHz.
La fase de amplificación está compuesta a su vez por dos subsistemas, un sistema de bombeo (Empower, Spectra Physics) y un amplificador de Ti:zafiro (Spitfire Pro, Spectra Physics). El sistema de bombeo, es un láser pulsado de estado sólido que emite en 527 nm por lo que es óptimo para excitar el medio activo. Este modelo posee una excelente estabilidad, menor que el 0.5 % rms para un tren de pulsos a una frecuencia de repetición de 1 kHz, con una energía de 1 mJ. Como ya se ha mencionado, el amplificador se basa en la técnica de amplificación de pulsos ensanchados por trino (CPA, chirped pulse amplification). La amplificación se realiza en tres etapas: ensanchamiento temporal del pulso, amplificación del mismo y recompresión temporal del haz amplificado [Stri85]. La potencia de pico del láser disminuye drásticamente al expandir temporalmente la energía del láser, así se evita el dañado del medio activo. A consecuencia del ensanchamiento temporal, el pulso semilla no alcanza potencias de pico peligrosas al ser amplificado. La etapa de ensanchamiento se produce introduciendo una cantidad controlada de “trino”, que equivale a introducir un desfase en el tiempo de vuelo de las componentes espectrales. Para separar las frecuencias y recombinarlas se utiliza un sistema expansor de pulsos en multipaso. Éste consta de una red de difracción y un sistema de espejos, entre los que se encuentra un espejo cilíndrico.
El pulso que ingresa en la fase de amplificación tiene una duración aproximada de ~350 ps. En esta etapa la energía del pulso es amplificada hasta 106. La semilla que proviene del oscilador se introduce en la cavidad y se enfoca en el medio activo junto al haz de bombeo. El pulso a amplificar se selecciona utilizando un sistema compuesto por dos células de Pockels y un polarizador de lámina delgada. En virtud del efecto Pockels estas células introducen una rotación en la polarización del haz entrante, el ángulo de rotación depende de la magnitud de la birrefringencia inducida que a su vez depende del voltaje aplicado. El tiempo
de conmutación de las células es de aproximadamente ~1 ns. De forma simplificada, la primera célula se encarga de seleccionar los pulsos semilla entrantes en la cavidad para ser amplificados, mientras que la segunda se sincroniza para extraer el pulso seleccionado tras varios pasos a través de la cavidad y del medio activo. La frecuencia de extracción del amplificador viene determinada por la frecuencia que impone la electrónica que controla las células de Pockels, siendo como máximo 1 kHz, que es la frecuencia de repetición del láser de bombeo, o múltiplos enteros de la misma.
En la última etapa del amplificador se encuentra el sistema de compresión (figura 3.1). Este sistema se encarga de recomprimir el pulso temporalmente a su duración inicial. Para ello el montaje óptico del compresor es simétrico al montaje óptico del expansor, lo que garantiza que se revierta el desfase inducido en la fase espectral. La posición del compresor se optimiza monitorizando la señal de salida con un autocorrelador o un sistema FROG. La filosofía de ajuste es maximizar la señal del autocorrelador o minimizar la inclinación de la traza de FROG (ver sección 3.3), garantizándose duración mínima o fase espectral plana respectivamente. La figura 3.3 muestra una fotografía del sistema de generación de pulsos láser ultracortos amplificados.