How to control the laser emission in single longitudinal mode

ÓPTICA PURA Y APLICADA. www.sedoptica.es Opt. Pura Apl. 48 (2) 141-144 (2015) © Sociedad Española de Óptica 141 Type:&Popular&Science&/&Tipo:&Divulgación&científica& Section:&International&Year&of&Light&/&Sección:&Año&Internacional&de&la&Luz& How$to$control$the$laser$emission$in$single$longitudinal$mode$ Como$controlar$la$emisión$de$un$láser$en$un$solo$modo$longitudinal$ $ V.&GonzálezEFernández1*,&E.&Vasallo1,&G.&Pérez1,&K.&Grützmacher1,&L.M.&Fuentes2,&& C.&Pérez1,&M.I.&de&la&Rosa1,S& 1.#Dpto.#de#Física#Teórica,#Atómica#y#Óptica,#Universidad#de#Valladolid,#Paseo#Belén#7,#CP#47011,#Valladolid# 2.#Dpto.#de#Física#Aplicada,#Universidad#de#Valladolid,#Paseo#Belén#7,#CP#47011,#Valladolid# &(*)&EEmail:&veroni[email protected]& & & S:&miembro&de&SEDOPTICA&/&SEDOPTICA&member& & Received&/&Recibido:&27/05/2015&Accepted&/&Aceptado:&22/06/2015& DOI:&10.7149/OPA.48.2.141& ABSTRACT:$ In&the&pictures&we&show&the&interference&patterns&obtained&with&a&solid&FabryEPerot&etalon&with&the& 532&nm& radiation& emitted& by& a& Nd:YAG& laser.& In&Fig.&A& using& a& seed&laser,& this& means,& only& one& longitudinal&mode.&In&Fig.&B&without&the&seed&laser,&this&is&multimode&emission.&In&this&work&we&show& how&to&control&the&emission&of&a&resonant&optical&cavity&in&a&single&longitudinal&mode.& Key$ words:$optical& resonator,& FabryEPerot&interferometer,& seed&laser,& longitudinal& modes,& Optics& education& RESUMEN:$ En&las&fotografías&se&muestran&los&patrones&de&interferencia&obtenidos&con&un&etalón&(Fabry&Perot& sólido)&de&la&radiación&de&532&nm&emitida&por&un&láser&de&Nd:YAG.&En&la&Fig.&A&utilizando&un&láser&de& semilla,& es& decir& emisión& en& un& solo& modo& longitudinal.& En& la& Fig.&B& sin& láser& de& semilla,& es& decir& emisión& multimodo.& En&este& trabajo& se&muestra&cómo& controlar& la& emisión& de&una& cavidad&óptica& resonante&en&un&único&modo&longitudinal.& Palabras$ clave:$resonador& óptico,& interferómetro& FabryEPerot,& láser& de& semilla,& modos& longitudinales,&enseñanza&de&la&Óptica& & Fig&1:&Patrón&de&interferencias&generado&mediante&un&etalón&de&la&radiación&del&segundo&armónico&532&nm&de&un&láser& Nd:YAG.&En&la&imagen&A,&se&ve&un&único&modo&longitudinal,&en&la&imagen&B,&todos&los&modos&resonantes&en&la&cavidad& $ $ ÓPTICA PURA Y APLICADA. www.sedoptica.es Opt. Pura Apl. 48 (2) 141-144 (2015) © Sociedad Española de Óptica 142 REFERENCES$AND$LINKS$/$REFERENCIAS$Y$ENLACES$ [1]&W.&T.&Silfvast,&Laser#fundamentals.&Cambridge&University&Press&(1996).& [2]&F.&L.&Pedrotti,&L.&S.&Pedrotti:&Introduction#to#Optics.&PrenticeEHall&International&Inc.&(1996).& [3]&E.&Hecht:&Óptica.&Addison&Wesley&Iberoamericana(2000).& [4]&W.&Koechner:&SolidKState#Laser#Engineering.&Springer&(2006)& [5]&Operation#and#Maintenance#Manual#for#the#Powerlite#9000#Series#Laser#Continuum(1993).& & 1.$Introducción$ Las&fotografías&y&el&vídeo&se&han& realizado& en&el&laboratorio&de&Espectroscopia&Láser& en&Plasmas&de& la& Facultad&de&Ciencias&de&la&Universidad&de&Valladolid,&en&él&participan&tres&alumnos&de&Grado&y&Doctorado& de&Ciencias&Físicas,&junto&a&profesores&de&la&Facultad.&Se&ha&utilizado&un&láser&Nd:YAG&pulsado,&8&ns,&y&de& alta&potencia&50&MW/cm2&(de&la&firma&Continuum,&Powerlite),&con&una&tasa&de&repetición&de&10&Hz,&que& emite&en&1064&nm.&Este&láser&bombea&a&otro,&basado&en&cristales&no&lineales,¶&lo&que&es&necesario&que& emita&en&un&solo&modo&longitudinal&(SLM).&Lo&que&vamos&a&mostrar&aquí&es&cómo&se&lleva&a&cabo&el&control& de&la&emisión&SLM&en&láseres&de&alta&potencia.& Es& bien& conocido& que& un& láser& cuenta& con& tres& elementos& fundamentales:& un& medio& activo,&una& fuente& externa&de&energía&o&sistema&de&bombeo&y&una&cavidad&óptica&resonante.&En&el&medio&activo&es&donde&se& producen&los&procesos&de&excitación&que&determinan&la&longitud&de&onda&de&la&radiación&láser.&La&cavidad& resonante&es&habitualmente&un&interferómetro&FabryEPerot&[1E3],&consistente&en&dos&espejos&enfrentados& en& cuyo& interior&se& encuentra& el& medio& activo.& Dentro& de& la&cavidad& sólo& pueden& existir& ondas& estacionarias,& es& decir,& aquellas& para& las& que& la& longitud& de& la& cavidad& es& un& múltiplo& entero& de& su& semilongitud&de&onda.&Evidentemente&puede&haber&dentro&de&la&cavidad&muchas&ondas&que&cumplan&esta& condición,&son&los&llamados&modos&longitudinales.&La&separación&entre&los&distintos&modos&de&una&cavidad,& viene&dada&por&la&siguiente&relación:& & Δ𝜐= 𝑐 2𝑛𝐿 !& & Siendo&n#el&índice&de&refracción,&L#la&longitud&de&la&cavidad&y&c&la&velocidad&de&la&luz&en&el&vacío.& En&el&láser&Nd:YAG&que&utilizamos&la&cavidad&tiene&una&longitud&de&60&cm&[4],&por&tanto,&y&aplicando&(1),&se& obtiene&una&separación&entre&los&modos&longitudinales&de&250&MHz.&Sin&embargo&la&curva&de&emisión&del& medio&activo&(curva&de&ganancia)&es&considerablemente&más&ancha,&en&este&caso&la&anchura&a&altura&mitad& es&aproximadamente&120&GHz,&como&se&muestra&en&la&Fig.&2.& & Fig.&2.&Curva&de&ganancia&del&láser&con&los&modos&longitudinales& & Debido&a&la&competición&entre&modos,&los&modos&longitudinales&más&próximos&al¢ro&de&la&curva&de& ganancia& capturan& más& energía& a& expensas& de& los& más& alejados& del& centro,& lo& que& se& traduce& en& un& (1)& ÓPTICA PURA Y APLICADA. www.sedoptica.es Opt. Pura Apl. 48 (2) 141-144 (2015) © Sociedad Española de Óptica 143 estrechamiento&de&la&curva&de&ganancia.&Aun&así&la&emisión&no&es&todavía&SLM,¶&ello&es&necesario&hacer& “algo”&más,&que&en&este&caso&consiste&en&la&utilización&de&un&láser&de&semilla&[4].& & Se&denomina&así&porque&inyecta&una&radiación&continua&(la&semilla),&de&muy&pequeña&anchura&espectral,&y& con&una&longitud&de&onda&muy&cercana&a&la&que&se&quiere&obtener&de&la&cavidad&del&láser&original.&Además,& es&una&radiación&mucho&más&potente&que&cualquier&emisión&espontánea&que&pueda&provenir&del&medio& activo.&Al&ser&de&una&longitud&de&onda&muy&cercana&a&uno&de&los&modos&propios&de&la&cavidad,&sobrevive&en& la&cavidad&y&al&ser&mucho&más&potente&que&cualquiera&de&las&otras&emisiones,&se&apodera&de&toda&la&energía& existente& en& la& cavidad,& extinguiendo& al& resto& de&modos.&El& láser& de& semilla& empleado& aquí& emite& una& radiación¢rada&en&la&curva&de&ganancia,&con&una&anchura&espectral&muy&pequeña,&de&unos&5&kHz,&y&una& intensidad&seis&órdenes&de&magnitud&superior&a&cualquier&emisión&espontánea&[5].& & 2.$Descripción$del$montaje$experimental$ El&control&habitual&de&la&emisión&SLM&del&láser&se&realiza&en&el&laboratorio&con&un&montaje&simple,¶&la& radiación& (visible)& de&532&nm,& obtenida& del& fundamental& 1064&nm& mediante& un& cristal& doblador& de& frecuencia.& En& la& fotografía& de& la& Fig.&3& se& observa& este& montaje&que& consta& de& un& etalón,& es& decir& un& interferómetro&de&FabryEPerot&sólido&con&la&longitud&de&la&cavidad&fija&que&proporciona&una&separación&de& modos&de&30&GHz,&y&una&lente&divergente,&de&focal&f’&=&E50&mm,&de&manera&que&expanda&el&haz,&y&se&asegure& que&se&produzca&el&patrón&de&interferencia&en&una&pantalla&alejada.&Éste&consta&de&un&conjunto&de&círculos& concéntricos,&alternando&zonas&de&luz&y&oscuridad&[2,&3],&del&tipo&de&los&que&aparecen&en&las&fotografías&de& la&Figs.&1&y&3.& & & Fig.&3.&Montaje&del&sistema&de&control&de&la&emisión&del&láser&Nd:YAG&en&un&SML,&el&elemento&de&color&verde&es&el&etalón,&precedido&de& la&lente&divergente.& & 3.$Resultado:$video$y$fotografías$ El&resultado&puede&verse&en&el&vídeo&adjunto,&donde&se&puede&apreciar&claramente&el&cambio&en&el&patrón& de&interferencias&al&activar&y&desactivar&el&láser&de&semilla.&En&dicho&vídeo&se&ve&cómo&el&láser&mantiene& perfectamente&su&único&modo&longitudinal&mientras&el&láser&de&semilla&se&mantiene&conectado,&y&cómo&al& desactivarlo,&desconectando&un&interruptor,&los&anillos&de&interferencia&se&ensanchan&y&pierden&nitidez,& síntoma&de&que&están&sobreviviendo&todos&los&modos&posibles&dentro&de&la&cavidad.&&Al&volver&a&activarlo,& se&observa&cómo&se&recupera&el&único&modo&longitudinal&después&de&un&pequeño&tiempo&de&estabilización.& Por&otro&lado&se&ha&realizado&un&montaje&en&el&cual&se&unen&las&dos&fotografías&de&la&Fig.&1&en&la&Fig.&4.&Se& aprecia&claramente&la&diferencia&entre&ambas&situaciones,&con&y&sin&semilla.&Además&se&comprueba&que&el& único&modo&longitudinal&emergente&se&corresponde&con&el&modo¢ral&de&la&cavidad,&pues&está&situado& justo&en&la&mitad&de&los&anillos&más&gruesos,&lo&cual&indica&que&el&láser&de&semilla&está&bien&alineado&dentro& de&la&cavidad,&pues&se&selecciona&el&modo¢ral,&es&decir&el&de&mayor&ganancia.& ÓPTICA PURA Y APLICADA. www.sedoptica.es Opt. Pura Apl. 48 (2) 141-144 (2015) © Sociedad Española de Óptica 144 & Fig.&4.&Montaje&conjunto&de&las&dos&fotografías&de&la&Fig.&1.&En&la&parte&izquierda&SLM,&en&la&derecha&emisión&multimodo.& & Agradecimientos$ Los&autores&agradecen&a&la&DGICYT&(Ministerio&de&Economía&y&Competitividad)&por&el&proyecto&ENE2012E 35902&(Fondos&FEDER),&y&la&beca&BESE2013E063248&concedida&a&V.&GonzálezEFernández,&en&el&marco&del& proyecto.&