VI. Fase experimental
VI.1. Diseño experimental para la emisión en CW para un medio activo cualquiera
Comenzaremos la fase experimental con la caracterización de nuestro diodo de bombeo que emite un haz de luz de 808 nm de longitud no polarizado acoplado a fibra. Esta caracterización es muy importante para determinar la potencia con la que se está bombeando al medio activo en cada momento. La fuente de bombeo de nuestro diodo es una fuente de poder THORLABS modelo LDC3065 que proporciona hasta 64 Ampères de salida.
Figura 16. La corriente de bombeo umbral es de 5.94 Ampères, y es determinada mediante el ajuste a una función de la forma m x
(
−b)
, donde “b” corresponde a la potencia de bombeo umbral. Eldiodo se mantiene trabajando a una temperatura promedio de 20ºC.
Habrá que tomar en cuenta que se deberán mantener enfriados tanto el diodo de bombeo como los cristales en todo momento, colocándolos sobre monturas especialmente diseñadas para el enfriamiento con agua, de lo contrario podríamos obtener resultados no esperados debido a la “sintonización” accidental del diodo de bombeo, el cual se sabe que su longitud de onda de emisión puede cambiar hasta ±0.3nm/ ºC . También se pueden encontrar fluctuaciones en la potencia de salida de la emisión de nuestros cristales debido al autoenfocamiento térmico o incluso debido a la expansión térmica y, en el peor de los casos, podríamos dañar permanentemente nuestros cristales.
Usando el programa de Laser Cavity Simulator®, considerando una M2 =
155 , el índice de refracción del medio activo, curvatura de los espejos y la posición de todos los elementos que conforman el sistema, obtenemos el diseño del montaje experimental, el cual se muestra en la figura 17.
Figura 17. Simulación por computadora de la generación del modo TEM00 usando un solo cristal
como medio activo. Nótese que la cintura del haz de bombeo se encuentra dentro del medio activo, mientras que la cintura del modo se encuentra lejos de éste, cerca del espejo acoplador. Simulación
realizada con el programa Laser Cavity Simulator®.
El programa calcula la propagación del frente de onda del haz de bombeo y del modo de la cavidad a través del aire y de todos los elementos del sistema usando la formulación matricial de la óptica geométrica bajo la aproximación matricial. Además, la simulación nos proporciona información de dónde es que se forman las cinturas de ambos haces, con lo que sabemos dónde colocar el Q-switch para los experimentos en modo pulsado.
Nótese que en la figura 17, la cintura del haz de bombeo no focaliza tan fuertemente sobre el medio activo, y que la cintura del modo transversal TEM00 se
encuentra lejos del medio. Esto nos ayuda a considerar que el acoplamiento entre el haz de bombeo y el modo será óptimo, pues se bombeo únicamente el volumen del cristal que se usa para la formación del modo. Otra consideración importante es que, trabajando con espejos acopladores de alta reflectancia, la intensidad del haz (de la emisión, no del bombeo) dentro de la cavidad puede alcanzar altas intensidades, por lo que el cristal podría dañarse. Es por esto que procuramos que la cavidad sea tal que la cintura del modo se genere lejos del medio activo.
Debido a que no sabemos la concentración de dopante de cada uno de los cristales con los que vamos a trabajar, comenzamos midiendo la cantidad de bombeo absorbido por éstos. Para llevar a cabo dicho experimento, requerimos saber cuál es la potencia de bombeo con la que se irradian los cristales y cuál es
la potencia de bombeo que se detecta a la salida de ellos; la diferencia entre estos dos valores nos dará la potencia de bombeo absorbida en cada uno de los casos.
Tabla III. Porcentaje de potencia de bombeo absorbida por los cristales usados como medio activo. Nd:YAG de 11 mm de longitud Nd:YVO4 de 11 mm de longitud Nd:YLF de 5 mm de longitud 78% 74% 61%
Sabiendo la longitud de los cristales y cuánto es el bombeo que se absorbe por unidad de longitud, determinamos el coeficiente de absorción αp para cada uno. Con dichos coeficientes calculamos fácilmente cuál sería, en todo caso, la longitud óptima que deberán tener los cristales para que al menos, en el arreglo experimental usando dos medios activos, el primero absorba el 50% del bombeo total suministrado, y con esto poder obtener pulsos de la misma intensidad. Los datos de absorción mostrados en la tabla III servirán sólo como referencia para experimentos posteriores, debido a que nosotros no cortamos los cristales, es decir, los usamos con la longitud con la que fueron comprados.
Colocamos el espejo acoplador formando una cavidad de aproximadamente unos 13 cm, basándonos nuevamente, en el diseño de la figura 17. Usamos un haz de referencia de un láser de He-Ne para facilitar la alineación, colocándolo de tal manera que pase un haz a lo largo de todo el eje óptico del sistema. Ahora, la cavidad está conformada por dos espejos altamente reflejantes para la emisión láser (1064 nm) pero altamente transparentes para la longitud de onda del bombeo (808 nm). La reflectancia del primer espejo para 1064 nm es del 100% aproximadamente, mientras que la del espejo acoplador será del 99.8%. Esto mantiene confinada una gran cantidad de luz, produciendo una alta irradiancia dentro de la cavidad, lo que reduce la potencia de bombeo umbral y facilita la oscilación.
Utilizamos espejos con radios de curvatura de 100 mm y reflectividad del 100% para el primer espejo y de 50 mm y reflectividad de 99.8% para el espejo acoplador. Es ya sabido que existen dos zonas de estabilidad de la cavidad cuando se usan espejos con diferentes radios de curvatura; una es la zona en la que la longitud L de la cavidad es menor al radio de menor curvatura de los dos espejos y otra zona en la que el valor de L se encuentra por encima del valor máximo de los dos radios de curvatura y por debajo de la suma de los dos radios. Alineando los espejos en esta segunda zona de estabilidad se generará la cintura del modo transversal lo suficientemente cerca del espejo acoplador, a pesar de estar usando como espejo acoplador, uno cuyo radio de curvatura es menor que el primero.
Tenemos tres cristales distintos dopados con neodimio (Nd:YVO4, Nd:YLF y
Nd:YAG), cuyos materiales que conforman al huésped (YVO4, YLiF4 y Y3Al5O12,
respectivamente) modifican ligeramente las bandas de emisión del neodimio, haciendo que las longitudes emitidas varíen en unos cuantos nanómetros. Repetiremos el experimento intercambiando los tres cristales y caracterizándolos uno por uno, utilizando los tres espejos con distintas reflectancias y distintos radios de curvatura.
Se coloca indistintamente uno de los cristales dentro de la cavidad, colocado sobre la montura que lo mantendrá enfriado todo el tiempo y comenzamos con el bombeo. Debido a que la emisión de los tres cristales que usaremos a lo largo de todos los experimentos se da en el infrarrojo, será conveniente colocar un medidor de potencia a la salida de nuestra cavidad para poder detectar el momento en el haya una emisión láser al momento de alinear los espejos. Usando un filtro para 808 nm, bloquearemos el remanente del bombeo (lo que no fue absorbido por el
medio activo) para no saturar el detector y conseguir una mejor lectura de la emisión que estamos buscando.
Habiendo obtenido la emisión láser, optimizamos nuestro arreglo alineando los espejos y haciendo “caminar” la cavidad para obtener la máxima potencia de salida y para tener nuestro láser emitiendo en el modo fundamental TEM00. El
modo TEM00 es el modo transversal de orden menor y tiene el menor umbral, la
cintura y la divergencia más pequeña y no contiene nodos en su distribución espacial de intensidad a la salida (Scheps, 2002), por lo que se procurará trabajar en esta configuración en todo momento.
La potencia de salida del láser es monitoreada con un medidor de potencia de dos canales THORLABS, modelo PM300E con un detector para bajas potencias y otro para altas potencias en el caso que se requiera. El intervalo de operación del detector para bajas potencias va de 0.1pW hasta 100mW. Para potencias por encima de 100mW usaremos un detector para altas potencias.
Al terminar el experimento con el espejo acoplador de 99.8%, repetimos el experimento cambiando el espejo por otros dos con distintas reflectividades y distintos radios de curvatura. Habiendo tomado datos sobre la caracterización del láser, potencia de bombeo umbral y potencia de salida, cambiamos el espejo acoplador en dos ocasiones por dos espejos de menor reflectancia (96.6% con R=50 mm y 90% con R=300 mm). Conseguir la emisión láser de nuestro cristal con espejos de menor reflectancia es más complicado, pues la potencia de bombeo umbral aumenta debido a la disminución de la intensidad dentro de la cavidad, pero una vez emitiendo, la eficiencia pendiente puede llegar a ser mucho mayor. Los datos obtenidos de la caracterización de todos los cristales y espejos se muestran en la tabla IV.
Figura 18. En la gráfica se observan las nueve caracterizaciones para los tres cristales con los tres espejos acopladores.
Se analizan los datos ajustando las gráficas de la figura 18 a una función de la forma de la ecuación (22), y que sólo para recordar la reescribimos a continuación:
Psalida=η Pbombeo−Pbombeo umb
⎡⎣ ⎤⎦, (92) donde, como ya vimos, el punto en las gráficas en las que comienza a haber emisión corresponde a la potencia de bombeo umbral Pbomb
umb
de la ecuación (22),
mientras que la pendiente de las rectas corresponderá a la eficiencia pendiente η.
0 0.4 0.8 1.1 1.5 0 2 4 6 8
Caracterización de tres cristales en CW con tres espejos acopladores
Potencia de salida (W)
Potencia de bombeo (W)
Nd:YVO4 99.8% Nd:YAG 99.8% Nd:YLF 99.8%
Nd:YVO4 96.6% Nd:YAG 96.6% Nd:YLF 96.6%
Tabla IV. Se muestran las eficiencias pendientes y las potencias de bombeo umbral emitiendo en CW asociadas a los tres medios activos usando distintos espejos acopladores.
Espejo acoplador Pbom umb W
( )
η( )
% Pbom umb W( )
η( )
% Pbom umb W( )
η( )
%Reflect. - R.C. Nd:YVO4 Nd:YAG Nd:YLF
99.8% - 50 mm 0.37 W / 2.13% 1.88 W / 0.91% 0.15 W / 2.14% 96.6% - 50 mm 2.04 W / 20.4% 5.12 W / 15.11% 3.33 W / 5.9% 90% - 300 mm 1.2 W / 21.2% 3.81 W / 16.99% 3.35 W / 6.9%
Cabe mencionar que los ajustes concordaron con la teoría con un error porcentual que va desde el 0.1% hasta 3%, (sólo en casos aislados se obtuvo un error por encima del 3%). En el apéndice B se muestran las gráficas junto con sus ajustes a una curva de la forma de la ecuación (22).
VI.2. Diseño experimental en modo pulsado para
un solo cristal (Q-switch activo)
Cuando se trabaja en modo pulsado es posible producir pulsos cortos (~100 ns) de alta potencia (PpicoKW ), debido a que la energía (en Joules) que tiene cada
uno de los pulsos está confinada en un intervalo de tiempo equivalente a la duración de dicho pulso. La probabilidad de que el arreglo emita pulsos en dirección opuesta es muy alta (ya que el primer espejo no puede ser perfecto), y más cuando el espejo acoplador tiene alta reflectancia, por tal motivo es necesario colocar un espejo dicróico a 45º respecto al eje de propagación, detrás del primer espejo de la cavidad, con la finalidad de evitar que uno de los pulsos se propague de regreso, ocasionando daños irreversibles en el diodo de bombeo. De esta forma, es posible usar el mismo arreglo experimental utilizado para la emisión en CW para producir pulsos con sólo introducir un Q-switch activo en la cavidad.
La cavidad tiene una longitud tal, que será sencillo colocar dentro de ella un disco con 216 perforaciones en la periferia, el cual gira a casi 3200 rpm, funcionando así como un Q-switch activo capaz de obturar con una tasa de repetición de aproximadamente 11.5 KHz. La mejor manera de colocar el Q-switch en la posición correcta es cuando el bombeo está encendido y el cristal está emitiendo en CW. Al acercar el disco mientras éste no está girando, podemos observar la sombra que producen las perforaciones del disco sobre una tarjeta sensible a la radiación infrarroja. La figura 19 muestra un esquema de este montaje.
Figura 19. Esquema del montaje experimental usado para la generación de pulsos usando un solo cristal como medio activo; el Nd:YVO4.
Una vez alineado el disco dentro de la cavidad, colocamos un detector ultra-rápido conectado a un osciloscopio ultra-rápido LeCroy 1GHz OSCILLOSCOPE modelo LC574A para observar lo que ocurre a la salida del arreglo. Este osciloscopio puede conectarse mediante el puerto GPIB-USB a una computadora con la cual capturamos los datos de las mediciones del osciloscopio.
En este caso se comienzan los experimentos introduciendo el cristal de Nd:YVO4
en la cavidad, el cual ya teníamos colocado dentro de la cavidad, alineando y funcionando en CW. De la misma forma, se usó el espejo acoplador de 90% de reflectancia.
Al encender el Q-switch, el disco comenzará a girar, bloqueando la oscilación del modo TEM00. Con esto esperamos que se produzcan los pulsos que se simularon
anteriormente por computadora.
Ajustamos la posición del disco giratorio hasta observar un tren de pulsos uniforme en la pantalla del osciloscopio. Debido a que la alineación de las perforaciones del disco no es perfecta, se pueden observar algunas irregularidades en la distribución de estos pulsos.
Al ir aumentando el bombeo observamos una potencia de bombeo umbral de 2W, la cual, comparándola con su correspondiente en CW (1.2W), ésta ha aumentado casi en un 66%.
Tomamos la lectura con el osciloscopio y utilizamos un programa diseñado en
IGOR® para capturar y almacenar los datos para poder graficarlos y manipularlos
deliberadamente más adelante. También medimos la separación temporal entre los pulsos directamente de la pantalla del osciloscopio y la separación temporal que hay entre ellos. La lectura mostrada en la figura 20 se obtuvo bombeando con una potencia de bombeo de 5.6W, que equivale a 2.8 veces por encima de la potencia de bombeo umbral.
Figura 20. Tren de pulsos (tasa de repetición 11.5 KHz) producidos con una cavidad de 80 mm de longitud y un espejo acoplador del 90% de reflectancia. Esta gráfica se obtuvo bombeando 2.8
veces por encima de la potencia de bombeo umbral.
Podemos observar un notable parecido con la simulación por computadora que se muestra en la figura 12, al menos a gran escala, coincidiendo con la generación de un pulso por cada abertura del Q-switch.
Medimos directamente de la pantalla del osciloscopio la separación temporal de los pulsos, que en promedio fue de 87µs (tasa de repetición equivalente a 11.5KHz). Al reducir la escala de tiempo, pudimos observar la estructura de uno de los pulsos, tomando como referencia el pulso de mayor intensidad al cual se amarró el osciloscopio. Figura 21.
Figura 21. Pulsos secundarios observados a potencias de bombeo de 5.6W, que equivale a 2.8 veces por encima de la potencia de bombeo umbral. (La escala en el eje y representa intensidad,
mientras que la escala en el eje x es tiempo en microsegundos).
En la figura 21 se observan pequeños pulsos secundarios que parecieran concordar con la teoría sobre oscilaciones de relajación (Svelto 1998). En esta gráfica estamos bombeando 2.6 veces por encima (5.6W) del bombeo umbral (2W). Hacemos otra lectura bajando la potencia de bombeo hasta ya no observar pulsos secundarios, la cual correspondió a 1.6 veces (3.2W) la potencia de bombeo umbral, como se muestra en la figura 22.
Figura 22. Un solo pulso observado al bajar la potencia hasta 1.6 veces la potencia de bombeo umbral. A diferencia de la gráfica 21, se han dejado de observar los pulsos secundarios.
Al reducir nuevamente la escala hasta unos 400ns, podemos observar mejor la forma del pulso. Modificando la potencia de bombeo desde 3W (1.5 veces el umbral) hasta 6.1W (3 veces el umbral), con variaciones de 0.2W, obtenemos las gráficas mostradas en la figura 23. La gráfica inferior
Figura 23. Ensanchamiento temporal del pulso respecto al bombeo; la gráfica inferior 1 corresponde al pulso más ancho, mientras que la gráfica superior 35 muestra al pulso más corto
(medida a 3 veces la potencia de bombeo umbral), con una duración de 60 ns. Se muestran 35 mediciones subiendo la potencia cada 200 mW.
Podemos inferir de la figura 23 que el ancho temporal de los pulsos depende fuertemente de la potencia de bombeo. El comportamiento que se obtiene del ancho temporal de los pulsos respecto a la potencia de bombeo se visualiza en la figura 24, donde hemos normalizado la duración del pulso al tiempo de vida del fotón dentro de la cavidad y el bombeo a qué tantas veces por encima del umbral se está bombeando.
Figura 24. Es posible observar que los datos experimentales (puntos) se acercan bastante a la curva teórica (línea continua), en la cual notamos que el tiempo de vida del pulso tiende a
acercarse al tiempo de vida medio del fotón dentro de la cavidad (valor 1 en el eje y).
Hacemos la caracterización del láser (Fig. 25), midiendo la potencia de salida promediada temporalmente y de esta forma podemos saber cuál es la potencia asociada a cada uno de los pulsos generados, sabiendo de antemano, cuál es el ancho temporal de cada uno de ellos y la tasa de repetición medida experimentalmente. El pulso más angosto que se registró es de 59.5 ns y se midió bombeando con una potencia equivalente a 3 veces la potencia de bombeo umbral.
Figura 25. Caracterización de la potencia de salida promedio para el Nd:YVO4 en modo pulsado.
El Nd:YVO4 nos proporciona una eficiencia pendiente del 19.5% y una potencia de bombeo umbral
de 2.65 W usando un espejo acoplador del 90% de reflectancia (puntos: datos experimentales, línea sólida: ajuste) (nótese que en el cálculo de las expresiones correspondientes a la emisión del Nd:YVO4 en modo pulsado que se hicieron antes del ajuste, se usó siempre el valor de 2W como
potencia de bombeo umbral).
Para calcular la potencia por pulso se usa la siguiente expresión
Ppico=
Ppromedio
frec⋅ Δt , (93)
donde Ppromedio es la potencia promediada en el tiempo, frec es la tasa de
repetición de los pulsos y Δt es el ancho temporal de los pulsos. Al hacer el ajuste de la gráfica de la figura 25, encontramos una eficiencia pendiente η=19.5% y una potencia de bombeo umbral Pp
umb =
2.65W , una potencia de salida promedio de 0.8
pulso, siendo esto, una energía confinada en un pulso con una duración medida experimentalmente de 59.5 ns, produciendo una potencia pico de Ppico=1.17KW
para el cristal de Nd:YVO4 y usando el espejo con 90% de reflectancia formando
una cavidad de 80 mm de longitud.
Al igual que para el caso del láser emitiendo en CW, repetimos el experimento utilizando los otros dos espejos de 96.6% y 99.8% y los otros dos cristales de Nd:YLF y Nd:YAG.
VI.3. Diseño experimental para dos cristales en
CW y modo pulsado (QS)
Para el siguiente diseño se usa el espejo acoplador de 90% de reflectancia, comenzando a partir de que el sistema este emitiendo en modo continuo con un solo cristal. Introducimos el segundo cristal dentro de la cavidad y lo alineamos hasta obtener la emisión. Por simplicidad y falta de tiempo trabajamos únicamente con dos cristales simultáneos dentro de la cavidad (Nd:YVO4 y Nd:YLF) y también
con un solo tipo de cavidad, es decir, usando sólo uno de los espejos acopladores, que será el de 90% de reflectancia.
Observamos que la montura del Nd:YVO4 es ligeramente más larga que el cristal,
por lo que decidimos insertar el segundo cristal (Nd:YLF) dentro de la misma montura. Gracias a que los dos cristales tienen la misma geometría en un corte transversal, podemos usar la misma montura sin ningún problema. Insertamos el Nd:YLF antecediendo al Nd:YVO4, de tal manera que el Nd:YLF sea el primero en