Dispositivo experimental

El dispositivo experimental se esquematiza en la Fig. 2.11. Se emplea un oscilador l´aser de titanio-zafiro que entrega pulsos de ∼100 fs de duraci´on, con polarizaci´on lineal. Nos hemos servido de dos osciladores diferentes para los experimentos que describiremos. En algunos hemos utilizado un oscilador Maitai y en otros un Tsunami, ambos de la compa˜n´ıa Spectra-Physics. La diferencia entre uno y otro reside principalmente en que el Maitai funciona como una “caja negra” comandada por software, mientras que en el Tsunami la operaci´on es manual. La frecuencia de repetici´on de los pulsos var´ıa levemente entre ambos equipos, siendo de 79 MHz en el Maitai y de 82 MHz en el Tsunami (∼12 ns de per´ıodo de repetici´on). Los pulsos atraviesan una l´amina de media onda y luego un cubo separatriz sensible a la polarizaci´on. El conjunto de estos dos elementos permite separar el pulso original en un pulso de bombeo y otro de sondeo, a la vez que facilita la variaci´on en forma continua de la energ´ıa destinada a uno y otro pulso. Los haces resultan linealmente polarizados seg´un direcciones perpendiculares.

El haz de bombeo es focalizado sobre un modulador acusto-´optico (en breve veremos por qu´e) del que se toma el primer orden de difracci´on (el modulador est´a optimizado para maximizar la intensidad de dicho orden). Luego, el haz se colecta con una lente similar a la de focalizaci´on. La distancia focal de las lentes es extensa (500 mm), de forma de evitar un spot de focalizaci´on demasiado peque˜no cuya elevada densidad de potencia podr´ıa da˜nar el cristal del modulador (umbral de tolerancia: ∼1,5 W de potencia media). El haz es focalizado sobre la muestra mediante una lente acrom´atica de ∼60 mm de distancia focal y 25 mm de di´ametro.

El pulso de sondeo, por su parte, recorre una l´ınea de retardo consistente en un retror- reflector (tres espejos dispuestos en forma de “esquina” a 90◦ _{entre s´ı) montado sobre una}

plataforma que se desplaza seg´un un eje. En la pr´actica se emple´o un esquema algo m´as complejo, contando con dos retroreflectores sobre la plataforma m´ovil que enfrentaban a otro fijo ubicado en el extremo de la l´ınea de retardo. De esta forma, el haz efect´ua 3 viajes de ida y vuelta a lo largo de la l´ınea, logrando un retardo m´aximo de 12 ns respecto del pulso de bombeo. Luego, el haz de sondeo se focaliza sobre la muestra con la misma lente empleada para la focalizaci´on del haz de bombeo. Esto facilita la superposici´on espacial entre los spots de bombeo y de sondeo sobre la muestra. Para afinar la superposici´on se recurre a una c´amara a la que se adjunta un zoom. La superposici´on se afina a´un m´as variando levemente la orientaci´on del espejo que env´ıa el haz de bombeo sobre la muestra, de modo de maximizar la se˜nal experimental. El haz de sondeo incide fuera del centro de

bombeo sondeo modulador acusto-óptico muestra amplificador lock-in ADC PC TV l_/2 polarizador línea de retardo _{12ns T}i-Sapph fotodiodo

Figura 2.11: Esquema del dispositivo experimental.

la lente de focalizaci´on (a ∼1 cm del centro) para permitir la colecci´on de la luz reflejada en la muestra con la misma lente. Aunque esto no es esencial al experimento, simplifica el esquema al reducir el n´umero de elementos ´opticos cercanos a la muestra, lo que resulta especialmente ventajoso cuando se trabaja con cri´ostato, ya que facilita el acercamiento de la lente a la ventana del mismo. La luz reflejada en la muestra atraviesa un polariza- dor cuyo eje se fija paralelo a la polarizaci´on del campo de sondeo, y luego incide sobre un fotodetector. El polarizador permite reducir luz espuria de bombeo captada por el detector.

En aquellos experimentos en los que se quiere registrar la se˜nal a partir de t = 0, es decir, desde la coincidencia temporal entre los pulsos de bombeo y de sondeo, las distancias recorridas por los pulsos de bombeo y de sondeo desde el cubo separatriz hasta la incidencia sobre la muestra deben naturalmente coincidir para alguna posici´on de la l´ınea de retardo. Un experimento consiste en desplazar la l´ınea de retardo a lo largo de un rango de posiciones elegido, y adquirir la intensidad del haz de sondeo reflejado (o transmitido) en funci´on de la posici´on de la l´ınea.

Las variaciones relativas inducidas en la intensidad del haz de sondeo por las vibra- ciones presentes en la muestra son del orden de 10−5_{− 10}−6_{. Por otro lado, las inestabili-}

dades de la intensidad del l´aser tienen variaciones relativas de ∼10−2_{. La pobre relaci´on}

se˜nal/ruido requiere de detecci´on sincr´onica mediante el uso de un amplificador lock-in. Para ello, se modula el haz de bombeo con el modulador acusto-´optico a una frecuencia de 1,8 MHz (ver comentario m´as abajo para mayores detalles sobre el modulador acusto- ´optico). El valor preciso de la frecuencia de modulaci´on no resulta relevante, siempre que se encuentre en una regi´on espectral de poco ruido. S´ı es de importancia en cambio, el

el experimento, y por lo tanto, el tiempo total de medici´on y/o la calidad de la se˜nal medida. Se utiliz´o un perfil de onda cuadrado para la modulaci´on.

La salida del amplificador lock-in se env´ıa a una placa conversora anal´ogico-digital, y la salida de esta ´ultima a una computadora. Un software especialmente dise˜nado permite visualizar en tiempo real la se˜nal registrada en funci´on de una escala temporal que res- ponde al tiempo involucrado en el fen´omeno f´ısico que se quiere medir. Dicha escala se deduce de la posici´on a la que se encuentra la l´ınea de retardo. Como dijimos, el rango m´aximo de la escala es de 12 ns. El mismo software controla la posici´on de la l´ınea de retardo y su velocidad de desplazamiento.

COMENTARIO

Un modulador acusto-´optico es el equivalente a un “chopper” mec´anico que permite elevar la frecuencia de modulaci´on de la se˜nal a medir hasta el rango de los megahertz. Consiste en un cristal (suele emplearse TeO2) por el que se propaga una onda vibracional generada por un piezoel´ectrico.

El haz ´optico que se desea modular atraviesa el cristal en direcci´on normal a la propagaci´on del frente de onda ac´ustico. La luz encuentra entonces una red de difracci´on generada por la variaci´on del ´ındice de refracci´on inducida por la onda ac´ustica. La salida ´optica del modulador es el primer orden de difracci´on. El perfil ac´ustico est´a dise˜nado de forma tal de maximizar la intensidad de dicho orden. La modulaci´on de la luz se logra fijando una tensi´on oscilante sobre el piezoel´ectrico. La amplitud de la oscilaci´on determina la intensidad de la salida ´optica del dispositivo.

COMENTARIO

Recientemente ha sido ideado un novedoso esquema experimental que utiliza dos l´aseres diferentes para los haces de bombeo y de sondeo, cuyas frecuencias de repetici´on difieren levemente de manera controlada. Esta diferencia asegura un retardo variable entre los dos pulsos, por lo que se prescinde de la l´ınea de retardo. La variaci´on del retardo entre cero y su valor m´aximo ocurre en tan solo 90 µs, correspondiente a la inversa de la diferencia entre las frecuencias de repetici´on de los l´aseres. Esto permite efectuar realizaciones del experimento a una frecuencia ∼105 _{veces superior a la del}

esquema tradicional, en la que el tiempo del experimento est´a determinado por la velocidad de la l´ınea de retardo. La detecci´on sincr´onica resulta por tanto innecesaria. La relaci´on se˜nal/ruido se mejora efectuando numerosas realizaciones del experimento. La limitaci´on de este nuevo esquema reside en el retardo m´aximo que puede lograrse (1 ns). Los detalles pueden consultarse en la Ref. [79].