Los láseres de pulso construidos íntegramente en fibras ópticas se utilizan cada vez más en la industria. Los científicos ópticos del Centro de Láser de Varsovia del Instituto de Química Física de la Academia de Ciencias de Polonia y la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia han generado pulsos de láser ultracortos en una fibra óptica con un método que antes se consideraba físicamente imposible. Su solución no solo es útil, pero también sorprendentemente simple.

Se ha desarrollado un láser de fibra innovador en el Centro de Láser del Instituto de Química Física de la Academia de Ciencias de Polonia (IPC PAS) y la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia. Usando una solución simple, los científicos ópticos de Varsovia han "obligado" a uno de los tipos de láseres de fibra óptica a generar ultracorto, pulsos de alta energía. El nuevo láser carece de piezas externas mecánicamente sensibles, lo que parece ser especialmente interesante para futuras aplicaciones. La invención acelera enormemente el procesamiento de materiales en máquinas láser industriales.

"Los láseres de fibra se pueden construir de modo que todos los procesos importantes para la generación y conformación de los pulsos ultracortos tengan lugar en la propia fibra. Dichos dispositivos, sin componentes externos mecánicamente sensibles, operar de una manera muy estable, y son ideales para trabajar en condiciones difíciles, "dice el Dr. Yuriy Stepanenko (IPC PAS).

La acción del láser en la fibra conduce a la generación de un haz de luz continuo. La liberación de energía en los pulsos más cortos posibles es, sin embargo, mucho más favorable, ya que significa un gran aumento de poder. Los pulsos se generan en láseres de fibra a través de un sistema absorbente saturable. Cuando la intensidad de la luz es baja, el absorbedor bloquea la luz; cuando es alto el absorbedor lo deja pasar. Dado que los pulsos de femtosegundos tienen mayor intensidad que un haz continuo, los parámetros del absorbedor se pueden ajustar para que solo admita pulsos.

"Hasta ahora, hojas de grafeno, entre otros, se han utilizado como absorbentes saturables, en forma de una fina capa depositada en la punta de la fibra. Pero los diámetros de las fibras ópticas son del orden de un micrón. Incluso una pequeña cantidad de energía apretujada en una sección transversal tan pequeña tiene una densidad significativa por unidad de área, afectando la vida útil de los materiales. Por lo tanto, si se intentó aumentar la potencia de los pulsos de femtosegundos, el grafeno en la punta del conector se destruyó. Otros absorbentes, como los nanotubos de carbono, también puede sufrir degradación, "explica Jan Szczepanek, estudiante de doctorado de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia.

Para generar pulsos de femtosegundos de mayor energía en la fibra óptica, los físicos de Varsovia decidieron mejorar los absorbentes saturables de un tipo diferente, mediante el uso inteligente de fenómenos ópticos como los efectos no lineales que provocan un cambio en el índice de refracción del vidrio.

Los campos de luz eléctricos y magnéticos suelen oscilar de forma aleatoria, direcciones mutuamente perpendiculares. Cuando los campos oscilan todo el tiempo en el mismo plano, la onda se llama linealmente polarizada. En óptica clásica, se supone que cuando tal onda pasa a través de un medio, experimenta un índice de refracción constante, independientemente de la intensidad de la luz. En la óptica no lineal, esto es diferente:a una intensidad de luz suficientemente alta, el índice de refracción comienza a aumentar ligeramente.

Un absorbente saturable artificial no lineal funciona de la siguiente manera. En la entrada, la luz linealmente polarizada se divide en un haz de baja intensidad y un haz de alta intensidad. El medio del absorbedor se puede elegir para que ambos haces de luz experimenten un índice de refracción ligeramente diferente para que viajen a velocidades (de fase) ligeramente diferentes. Como resultado de la diferencia de velocidad, el plano de polarización comienza a girar. A la salida del absorbedor, hay un filtro de polarización que solo deja pasar ondas que oscilan perpendicularmente al plano de polarización de la luz entrante. Cuando el láser está funcionando en modo continuo, la luz del haz es de una intensidad relativamente baja, no se produce una diferencia de trayectoria óptica, la polarización no cambia, y el filtro de salida bloquea la luz. A una intensidad lo suficientemente alta, típico para pulsos de femtosegundos, la rotación de la polarización hace que el pulso pase a través del polarizador.

Para que funcione el absorbedor saturable con rotación de polarización, la fibra debe tener diferentes índices de refracción en diferentes direcciones (por lo tanto, debe ser birrefringente), y ambos índices también deberían ser estables. El problema es que en las fibras ópticas ordinarias, la birrefringencia ocurre accidentalmente, p.ej. debido al estrés causado por el toque de un dedo. Los láseres construidos de esta manera son extremadamente sensibles a factores externos. Sucesivamente, la birrefringencia de las fibras que preservan la polarización es tan grande que la luz se propaga en una sola dirección, y la construcción de absorbentes saturables artificiales se vuelve físicamente imposible.

"Las fibras ópticas birrefringentes que retienen el estado de polarización de la luz que entra ya están en producción. Somos los primeros en demostrar cómo se pueden usar para construir un absorbente saturable:cortamos la fibra óptica en segmentos de una longitud adecuada y luego los volvemos a conectar, girar cada segmento sucesivo 90 grados en relación con su predecesor, "dice el estudiante de doctorado Szczepanek.

"Rotación significa que si en un segmento un pulso con, podríamos decir, la polarización vertical viaja lentamente, en el proximo, correrá más rápido y alcanzará el segundo pulso, polarizado perpendicularmente. Por lo tanto, un procedimiento simple nos ha permitido eliminar el principal obstáculo para aumentar la energía, es decir, la gran diferencia de velocidades entre pulsos de diferentes polaridades, típico para todas las fibras que preservan la polarización, "explica el Dr. Stepanenko.

Cuantos más segmentos rotados haya, cuanto mejor sea la calidad de los pulsos generados en la fibra. En el láser construido en el laboratorio de Varsovia, el absorbente saturable consistía en una fibra con una longitud de aproximadamente 3 m, dividido en tres segmentos, y un polarizador de filtrado. El número potencial de segmentos rotados se puede aumentar hasta una docena más o menos.

El nuevo láser produce pulsos de femtosegundos de alta calidad, y su energía puede ser hasta 1000 veces mayor que la típica de los láseres con absorbentes de material. En comparación con los dispositivos con absorbentes artificiales, el láser fabricado por científicos de Varsovia tiene una construcción mucho más simple y, por lo tanto, su confiabilidad es significativamente mayor.