Lasers: Compreendendo o básico

O dispositivo Q-switch real é um modulador acústico-óptico 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. Essa onda sonora difrata os fótons do laser e evita a amplificação do laser. Em vez disso, os EOMs usam uma alta voltagem aplicada que modifica o índice de refração do cristal e altera a polarização da luz recebida; uma combinação apropriada de óptica sensível à polarização pode ser colocada na cavidade para evitar que a luz de polarização alterada circule. pulso da bomba: Os pulsos do laser Excimer são produzidos excitando a mistura de gás nobre/halogênio com uma descarga elétrica potente e curta. Os lasers Ti:safira também podem produzir pulsos de nanossegundos se forem bombeados com um pulso de nanossegundos de luz verde produzido por um laser YAG Q-switched de frequência dupla. Este método é chamado de comutação de ganho porque o ganho de cavidade em vez da perda de cavidade é alterado diretamente. Além de um grande número de aplicações industriais, os lasers Q-switched têm aplicações importantes em pesquisas científicas. Um deles é o bombeamento de amplificadores ultrarrápidos de Ti:safira (descritos na seção a seguir) usando a saída de frequência duplicada (verde) de um Nd:YAG ou Nd:YLF Q-switched 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 ​​nas regiões UV, visível e IR, permitindo estudos resolvidos no tempo e no comprimento de onda. Atualmente, 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. Para algumas aplicações científicas, pode ser desejável ter um laser Q-switched de largura de linha estreita. Em alguns casos, isso pode ser feito usando uma combinação de grades ópticas e etalons; em outros casos, o laser pode ser "semeado" com um 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 principal, amplificador de potência), dividindo conceitualmente a seleção de largura de linha e a geração de alta potência em dois estágios 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 é 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 colapse 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 desacoplado e disponibilizado.

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 oscilantes, 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 pela largura de banda no tempo, ou seja, têm o menor comprimento possível para uma determinada largura de banda.

Pulsos ultrarrápidos são altamente úteis em pesquisa; graças à curta duração do pulso e à alta potência de pico, o advento dos lasers de femtossegundos 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 femtossegundos também permitiram técnicas de excitação multifotônica (MPE) que fornecem imagens tridimensionais de tecidos vivos. O MPE agora é amplamente utilizado em várias áreas da pesquisa biológica, principalmente na neurociência.