En la investigación óptica, el desarrollo
de fuentes láser de femtosegundos ha dado lugar a un campo
relativamente nuevo: la óptica ultrarrápida.
“Si la gente escucha la palabra óptica piensa en lentes,
microscopios o telescopios, pero éstos integran sólo
una disciplina de esta rama de la física encargada del estudio
de la interacción de la luz con la materia”, señaló
Jesús Garduño Mejía, del Laboratorio de Pulsos
Ultracortos del Grupo de Óptica No Lineal, del Centro de
Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico (CCADET) de la
UNAM.
Con base en esta definición, la óptica se divide en
diversos campos, entre los cuales está la ultrarrápida,
que consiste en el estudio de la generación, medición,
manipulación e interacción de pulsos láser
(breves e intensos) con la materia.
“Un femtosegundo es una unidad de tiempo equivalente a la
milbillonésima parte de un segundo; se obtiene al dividir
un segundo entre un millón, a este resultado entre un millón
y a lo que se obtiene de esto, entre mil. Numéricamente se
expresa 0.000 000 000 000 001 o 10-15 seg, es decir, 10 a la menos
15 segundos. Ésta es la escala de tiempo con la que se trabaja
en este campo”, explicó.
Los pulsos de femtosegundos son los fenómenos más
breves que se han creado directamente de una cavidad láser
en laboratorio.
“Por sus características, pueden ser útiles
en la industria para hacer perforaciones pequeñas y precisas
durante el procesamiento de materiales, en las telecomunicaciones
para transportar más información, en la medicina para
llevar a cabo cirugías con cortes finos en tejidos o estudios
no invasivos de detección de cáncer y en biología
para efectuar estudios in vitro de diversos organismos
con técnicas de microscopía de alta resolución
(microscopía no lineal)”, añadió Garduño
Mejía.
Potencia pico
Los apuntadores utilizados en los salones de clases o salas
de conferencias por profesores y conferencistas son los láseres
más comunes. Se les conoce como continuos porque mientras
se mantenga apretado un botón, se produce una emisión.
“Si la midiéramos durante un segundo y luego comprimiéramos
esa energía de tal manera que, en lugar del lapso referido
durara la mitad, la potencia se duplicaría, pero la energía
sería la misma”, indicó el académico.
De esta manera, al continuar con la compresión en un tiempo
cada vez más breve, la potencia crece. A esto se le conoce
como potencia pico, concepto fundamental detrás de los pulsos
láser.
Ahora, uno continuo se puede convertir en uno pulsado al
comprimir su energía mediante dos mecanismos: electrónicos
y ópticos. Los primeros están limitados por la rapidez
de los dispositivos, en tanto que los otros son ultrarrápidos,
de femtosegundos. Por esta razón, los láseres pulsados
en este último orden funcionan a partir de la auto-modulación
óptica.
“Esto significa que, bajo determinadas condiciones
particulares de diseño y la correcta alineación de
los componentes, las propiedades de la luz generada dentro de la
cavidad pueden ser modificadas (moduladas) por ella misma al interaccionar
con el medio activo (el material que produce la luz láser)
en una forma instantánea, lo que da origen a pulsos ultracortos”.
Los mecanismos encargados de esta auto-modulación están
relacionados con efectos estudiados en otra disciplina llamada óptica
no lineal.
Procesos no lineales
Debido a sus potencias pico muy elevadas en tiempos breves
—del orden de cientos de kilowatts por pulso—, los paquetes
de luz comprimida emitidos por las fuentes láser de femtosegundos
pueden generar fenómenos ópticos llamados procesos
no lineales.
“Un ejemplo son los armónicos, producidos
si una luz láser intensa interactúa con cierto tipo
de materiales y éstos, a su vez, convierten la luz incidente
en otros colores que corresponden a múltiplos de la frecuencia
original. Así, al interactuar con cierto tipo de cristal,
un pulso puede transformar la luz roja en azul”, señaló
Garduño Mejía.
Con fuentes láser de femtosegundos también
se pueden generar supercontinuos, pulsos de luz intensos enfocados
con un tipo especial de fibra que produce luz blanca; éstos
pueden aprovecharse en la construcción de peines de frecuencias
ópticas, utilizados en metrología.
Procesos ultrarrápidos en materiales
En el Laboratorio de Pulsos Ultracortos del CCADET, Garduño
Mejía y sus colaboradores aprovechan la elevada potencia
pico y la alta resolución temporal generada por esta clase
de láseres para estudiar la dinámica de los electrones
o de los portadores de carga en superficies de metales y semiconductores
al ser excitados.
“Con un pulso intenso llamado bombeo excitamos las
superficies de metales o semiconductores; con otra réplica
del pulso, pero con menor intensidad —llamado ‘de prueba’—
observamos el cambio que produce el primero en las muestras. Es
decir, con uno intenso provocamos un cambio y con el otro tomamos
una secuencia de ‘fotos’ con resolución de femtosegundos
para obtener una especie de película del evento completo
que puede durar algunos picosegundos (10-12 seg). No es algo que
se pueda realizar sólo con un detector electrónico
debido a sus limitados tiempos de respuesta. Esta técnica
se conoce como espectroscopía de resolución temporal
ultrarrápida”.
Lo que se provoca son efectos térmicos a escalas pequeñas
relacionados directamente con la dinámica de los electrones.
Las consideraciones térmicas constituyen un asunto
esencial en relación con los microdispositivos electrónicos
de alta velocidad. Hoy, las altas tasas de repetición y el
buen desempeño de los aparatos son posibles sólo con
la reducción de tamaño de sus elementos activos, lo
que, a su vez, tiene como consecuencia la generación y concentración
de calor a niveles que pueden ser críticos.
“El mejor entendimiento de los mecanismos de transferencia
de energía y de los efectos térmicos a escalas pequeñas
pueden determinar los criterios para el diseño de productos
confiables”.
Por otro lado, en el procesamiento de materiales, el mejor
entendimiento de la transferencia y distribución de energía
durante la excitación es importante para lograr perforaciones
o cortes más finos por ablación láser.
El académico universitario refirió que con
las nuevas tecnologías se ha desarrollado la óptica
en attosegundos, es decir, 10-18 segundos.
“Sin embargo, para producir estos pulsos es necesaria una
tecnología diferente. Uno puede comprar una fuente comercial
de femtosegundos, pero no hay una que genere attosegundos; hay que
producirlos fuera de una fuente láser de femtosegundos. Hasta
hoy, los que se han logrado son de algunas decenas de attosegundos.
Con ellos se pueden estudiar, por medio de técnicas de espectroscopía
de resolución temporal, procesos dinámicos todavía
más breves a escalas subatómicas”, concluyó.
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