¿Qué es la amplificación de pulsos chirpiados y por qué es tan importante como para merecer un premio Nobel?

Question

El Premio Nobel de Física 2018 fue concedido recientemente, y la mitad fue para Arthur Ashkin por su trabajo en pinzas ópticas y la otra mitad a Gérard Mourou y Donna Strickland por desarrollar una técnica llamada "Chirped Pulse Amplification".

En general, las pinzas ópticas son relativamente bien conocidas, pero la amplificación de pulsos chirpeados es menos conocida en un contexto más amplio de la física o la óptica. Aunque normalmente la página de Wikipedia es un lugar razonable al que acudir, en este caso es bastante técnico y plano, y no especialmente informativo. Así que:

• ¿Qué es la amplificación de pulso chirriado? ¿Cuál es el núcleo del método que realmente lo hace funcionar?
• ¿Qué problemas preexistentes resolvió su introducción?
• ¿Qué tecnologías permite y qué campos de investigación son posibles gracias a ella?

Answer 1

El problema

Los láseres hacen todo tipo de cosas interesantes en la investigación y en las aplicaciones, y hay muchas buenas razones para ello, como su coherencia, estabilidad de frecuencia y capacidad de control, pero para algunas aplicaciones, lo que realmente importa es la potencia bruta.

Como ejemplo sencillo, hace tiempo que se entendió que si la intensidad de la luz es lo suficientemente alta, entonces la suposición de linealidad que sustenta gran parte de la óptica clásica se rompería, y fenómenos ópticos no lineales como generación de segundos armónicos se dispondría, consiguiendo que la luz hiciera todo tipo de cosas interesantes. Utilizando fuentes de luz incoherentes, las intensidades requeridas son prohibitivamente altas, pero una vez inventado el láser, sólo hizo falta un año para la primera demostración de la generación de segundos armónicos y unos pocos años después hasta generación de terceros armónicos , un proceso no lineal de tercer orden que requiere intensidades aún mayores.

Dicho de otro modo, la potencia es importante, y cuanta más intensidad tenga disponible, más amplia será la gama de fenómenos ópticos no lineales estará abierto a la exploración. Por ello, una gran parte de la ciencia del láser se ha centrado en el aumento de las intensidades disponibles, generalmente utilizando láseres pulsados para conseguirlo y siendo hitos notables Q-switching y modo de bloqueo .

Sin embargo, si intentas seguir adelante con un amplificador láser más grande y con más y más potencia, básicamente estás destinado a chocar tarde o temprano con un muro de ladrillos, bastante brusco, en forma de autofocalización catastrófica . Esto es consecuencia de otro efecto no lineal, el Efecto Kerr que ocurre dentro del propio medio láser. A primera vista, el efecto Kerr parece bastante inofensivo: básicamente, dice que si la intensidad es lo suficientemente alta, el índice de refracción del material aumentará ligeramente, en proporción a la intensidad: $$ n(I) = n_0 + n_2\: I. $$ Entonces, ¿cuál es el problema? En resumen, si se tiene un rayo láser que se propaga a través de dicho medio, entonces

• la intensidad de la luz será mayor en el centro, lo que significa que el índice de refracción será mayor en el centro.
• En otras palabras, las propiedades ópticas del material se parecerán a las de una lente convexa y tenderá a enfocar el rayo.
• Esto tenderá a hacer más nítido el haz, lo que aumentará la intensidad en el centro, lo que elevará aún más el índice de refracción en el centro...
• ... lo que hará que el haz de luz se concentre aún más, dando lugar a intensidades cada vez más altas.

Esto constituye un bucle de retroalimentación positiva, y si la intensidad inicial es lo suficientemente alta, el medio es lo suficientemente largo, y no hay suficiente difracción inicial para contrarrestarla, entonces se saldrá de control y causará un daño catastrófico inducido por el láser en el mismo medio que estás tratando de utilizar para amplificar ese rayo láser. (Además, es bastante común, especialmente en el aire, que el láser se difracte en el punto dañado y luego se autoenfoque un poco más adelante, un fenómeno conocido como filamentación láser . Si consigues las cosas justo a la derecha mal, esto puede propagar un fallo en el medio de ganancia hasta la destrucción de toda una línea de haz).

Fuente de la imagen

Esto suena como un mecanismo raro, pero fue un enorme bloqueo del camino durante mucho tiempo. Si se traza la mayor intensidad de láser disponible en diferentes momentos desde la invención del láser, sube rápidamente durante los años sesenta, y luego choca con un muro y se mantiene durante unos diez o quince años:

Fuente de la imagen

Esto representa la barrera del autoenfoque de la lente de Kerr, y en ese momento la única manera de superarlo era construir un láser que fuera físicamente más grande, para diluir la intensidad sobre más medio de ganancia para tratar de evitar el problema. Hasta que apareció la amplificación de pulsos chirpados para resolver el problema.

La solución

En esencia, la amplificación de pulsos chirpados (CPA) funciona diluyendo la luz, de modo que pueda amplificarse a una mayor potencia total sin alcanzar una intensidad peligrosa, pero lo hace estirando en tiempo es decir, longitudinalmente a lo largo del pulso láser.

La secuencia básica consta de cuatro pasos:

1. En primer lugar, se parte de un pulso láser corto que se quiere amplificar

   

2. A continuación, se estira en el tiempo, mediante la introducción de chirp en la señal: es decir, se utiliza algún tipo de elemento dispersivo, como un prisma o una rejilla de difracción, que descompone el pulso en todos los colores que lo componen y envía primero las longitudes de onda más largas y después las más cortas. Esto reducirá naturalmente la intensidad del pulso.

   

   (¿Por qué "chirrido"? porque el barrido ascendente (o descendente) de las frecuencias sobre el pulso es precisamente lo que da al canto de los pájaros su sonido característico).

3. A continuación, pasa este pulso de menor intensidad a través de su amplificador láser, que es seguro porque la intensidad instantánea está por debajo del umbral de daño de autoenfoque de su medio de ganancia.

   

4. Por último, se pasa el pulso a través de un conjunto invertido de rejillas que deshará el retraso relativo entre las longitudes de onda más largas y más cortas de su pulso, juntándolas todas en un solo pulso de la misma forma y longitud que su pulso original...

   

   ... pero a una potencia amplificada mucho mayor, y a intensidades que serían imposibles de alcanzar con seguridad utilizando la amplificación directa del pulso.

La característica principal que hace que el método funcione es el hecho de que, cuando se hace correctamente, el estiramiento del pulso conservará completamente la coherencia entre los diferentes componentes de frecuencia, lo que significa que es totalmente reversible y cuando se añade un chirp de cancelación el pulso volverá a su forma inicial.

Además, el método se basa en el hecho de que la emisión estimulada duplicará completamente, de forma coherente, los fotones que está amplificando, lo que significa que los fotones que se introducen por la amplificación tendrán las mismas características de frecuencia y fase que el pulso inicial, lo que significa que al eliminar el chirrido del pulso amplificado los fotones añadidos también se comprimirán en una envoltura ajustada.

Aplicaciones

Como dije al principio, el CPA es particularmente útil en lugares donde la potencia bruta del láser, y particularmente concentrado la potencia del láser, es de suma importancia. He aquí algunos ejemplos:

• De la misma manera que los láseres nos dieron la óptica no lineal, la CPA ha sido integral en el desarrollo de generación de armónicos de alto orden que ha superado los armónicos de segundo o tercer orden para producir felizmente decenas o cientos de armónicos. (El récord actual es hasta el armónico 5.000 .)

  Esto no es sólo "más", es cualitativamente diferente: lleva la óptica no lineal a regímenes en los que la expansión perturbadora habitual se rompe por completo, y en el que debe ser sustituido por un conjunto completamente nuevo de herramientas, que giran en torno a la llamada modelo de tres pasos y que implican una nueva interfaz bonita y bastante particular entre la mecánica clásica y la mecánica cuántica, donde las trayectorias existen (más o menos), pero en un tiempo y un espacio con valores complejos, debido a la presencia de un túnel cuántico .

• También ha ayudado a impulsar el estudio de la interacción luz-materia más allá de ese mismo límite perturbador, dándonos las herramientas para extraer electrones de las moléculas y controlarlos de forma muy precisa, permitiendo así la creación de herramientas como, por ejemplo difracción de electrones por láser que puede utilizarse para obtener imágenes de las formas de las moléculas cuando se doblan o sufren otras vibraciones.

• La CPA también respalda varias medidas innovadoras que ya se han mencionado en este sitio, como por ejemplo la observación de la forma de onda dependiente del tiempo de un impulso luminoso , que a su vez se realiza mediante radiación armónica de alto orden; la observación de las oscilaciones de carga cuando los átomos se colocan en estados excitados , de nuevo utilizando HHG; o realizando holografía electrónica de un objetivo atómico utilizando electrones extraídos de ese mismo átomo.

• Por supuesto, todo el asunto de la QED impulsada por el láser en la parte superior de ese segundo diagrama: si tu láser es lo suficientemente fuerte como para que, si sueltas un electrón en el foco, la energía cinética de sus oscilaciones supere $m_e c^2$ Entonces puedes empezar a tener cosas como la creación de parejas con láser, y todo tipo de cosas divertidas. Algunas de estas cosas ya están sobre la mesa, otras están en planes realizables para el futuro, y todas son posibles gracias a la CPA.

• El CPA también es muy útil para suministrar ráfagas de potencia muy controladas a los materiales. Esto es extremadamente útil en micromecanizado láser Por ejemplo, se utiliza de forma rutinaria para, por ejemplo, utilizar pulsos láser cortos para grabar guías de ondas en dieléctricos, que resultan muy útiles para la computación cuántica basada en chips y el procesamiento de información cuántica.

• Del mismo modo, la capacidad de suministrar ráfagas de potencia fuertemente controladas es extremadamente útil en la microcirugía láser, y hay varios tipos de cirugía ocular que utilizan exclusivamente pulsos CPA para proporcionar "patadas" afiladas de potencia que realizan incisiones más limpias.

• A una escala mucho mayor, cuando realmente se sube la potencia al máximo, la CPA es un componente vital de aceleración láser de wakefield que utiliza la bolsa ionizada que deja un pulso láser intenso al atravesar un gas para acelerar electrones a energías que, de otro modo, requerirían un acelerador de partículas extremadamente grande

Más información

Algunos recursos adicionales para la lectura:

• El Premio Nobel antecedentes científicos y información popular los documentos hacen excelente y la gente no busca esas fuentes ni de lejos. Vaya a verlas.

• El documento original: Compresión de pulsos ópticos chirpados amplificados. D. Strickland y G. Mourou. Comunicaciones ópticas. 55 , 447 (1985) .

• ¿Para qué limitaciones de potencia se diseñó el radar chirpiado? una pregunta mía anterior sobre tecnologías de radar similares anteriores a la CPA.

• Este es un buen tutorial sobre U Michigan .

Answer 2

Como adición a la excelente reseña de @EmilioPisanty, me gustaría mencionar una aplicación más de los láseres CPA, que puede ser pasada por alto desde la perspectiva de un teórico:

Espectroscopia ultrarrápida

A veces, los procesos no lineales de orden inferior, como la generación de segundos armónicos, son suficientes; sólo es necesario que se realicen de forma eficiente para fines prácticos.

Los láseres basados en amplificadores de pulso chirpado, que tienen pulsos con una energía de ~5 mJ y una duración de ~30 fs, son la espina dorsal de todas las técnicas espectroscópicas ultrarrápidas de bomba-sonda, salvo las más sencillas. Esto se debe a que tales pulsos permiten no linealidades de bajo orden eficientes, como la generación de suma de frecuencias, la amplificación paramétrica óptica, etc., que han ampliado enormemente el espacio de parámetros de este tipo de experimentos. La gente es inteligente, y cuando se le da una potencia de láser más que suficiente para trabajar, se le ocurren trucos cada vez más complejos para descubrir la verdad.

Sin lanzarnos a repasar los miles de resultados de la investigación espectroscópica ultrarrápida, baste decir que la humanidad sabe mucho más sobre cómo funciona el mundo en escalas de tiempo de picosegundos y subpicosegundos (en campos tan dispares como la física de la materia condensada y la biología cuántica) gracias a los láseres basados en CPA.