Método de control espectral de la emisión de un láser aleatorio.

Se trata básicamente de controlar la longitud de onda de la acción láser mediante el control del diámetro y el índice de refracción de los dispersores esféricos

Método de control espectral de la emisión de un láser aleatorio.

Objeto de la invención

El objeto de la invención consiste en un procedimiento que controla la longitud de onda de la emisión de la un láser aleatorio.

Antecedentes de la invención

Un láser aleatorio es un sistema formado por un conjunto aleatorio de esparcidores de luz elásticos dispersos en un medio con ganancia óptica. El esparcimiento de luz múltiple sustituye la cavidad óptica estándar de los láseres tradicionales y la interacción entre la ganancia y la dispersión determina las propiedades de la acción láser. Todos los láseres aleatorios estudiados hasta ahora han consistido en dispersores polidispersos o conformados irregularmente, con una fuerza de dispersión aproximadamente constante a lo largo de la ventana de frecuencia del láser.

En los últimos años ha crecido muy rápidamente el interés por la acción láser aleatoria, en particular después de observar este fenómeno en cristales láser, materiales cerámicos, compuestos orgánicos e incluso tejido biológico en polvo. La condición necesaria para el funcionamiento de un láser aleatorio es que el material produzca dispersión múltiple de la luz, lo cual significa que el recorrido libre medio de transporte (la distancia media a lo largo de la cual la dirección de la luz esparcida se vuelve aleatoria) sea mucho menor que el tamaño del láser: ell_t << L, donde L es el tamaño del sistema.

La otra cantidad fundamental es la longitud de ganancia ell_g, que representa la distancia en la cual la intensidad es amplificada en un factor de e⁺¹. La interacción entre la ganancia y la dispersión determina las propiedades únicas del láser aleatorio, y en particular, define el grosor crítico del sistema (en geometría plana) para la acción láser, L_cr = p sqrt{ell _g ell _t/3}. A diferencia de los láseres ordinarios, la emisión de luz resultante es multidireccional, pero el comportamiento umbral, la estadística de fotones y las oscilaciones de relajación son muy similares a las de los láseres estándar. El espectro de emisión de un sistema láser aleatorio contiene picos de emisión estrechas, que para anchuras espectrales grandes puede fusionarse en un pico suave con un estrechamiento general del espectro en la mayoría de las configuraciones espectrales.

El ajuste de la longitud de onda es una propiedad crucial de los dispositivos de acción láser. En los láseres normales esto se logra fácilmente ajustando la frecuencia de resonancia del resonador. También se ha aplicado el mismo principio en estructuras de cavidad más compleja, tales como láseres de retroalimentación distribuida y láseres de cristales fotónicos, en los que los modos de cavidad son los modos de tipo Bloch asociados con la estructura periódica. El ajuste de la constante de red proporciona así una herramienta sencilla para ajustar el láser para cristales fotónicos de alta calidad, o con periodicidad localizada. Estos mecanismos no funcionan en estructuras aleatorias debido a la ausencia de periodicidad.

Un sistema aleatorio, compuesto de partículas de forma y tamaño arbitrarios, tiene un recorrido libre medio de transporte que es casi plano espectralmente (no resonante), al menos para rangos de longitudes de onda ?? ~ 100 nm. En estas condiciones, la acción láser aleatoria convencional ocurre a una longitud de onda en la que ell_g(?) tiene su mínimo; es decir, en el máximo de la curva de ganancia.

Descripción de la invención

La presente invención consiste en un método de control espectral de la emisión de un láser aleatorio formado por un sistema aleatorio sólido tridimensional constituido por dispersores esféricos monodispersos (es decir, con una distribución de tamaños menor que el 3%), que básicamente consiste en controlar la longitud de onda de la acción láser mediante el control del diámetro y el índice de refracción de los dispersores esféricos.

Se mostrará que, incluso en sistemas completamente aleatorios sin periodicidad, el ajuste resonante se puede lograr basándose en las resonancias de partículas individuales.

En este caso se considera que la dispersión es resonante. Se demuestra que esferas monodispersas aleatoriamente distribuidas pueden mantener resonancias de dispersión dentro de la ventana de frecuencias de ganancia, y que por lo tanto la longitud de onda de la acción láser se puede controlar mediante el diámetro y el índice de refracción de las esferas. Así pues, el sistema es un láser aleatorio con un máximo de acción láser previamente diseñado dentro de la curva de ganancia.

Para obtener un sistema aleatorio en el que los modos de acción láser se puedan seleccionar a longitudes de onda específicas, se propone usar un medio con resonancias en los parámetros de transporte. La idea es sacar provecho de las resonancias en los coeficientes de dispersión, llamadas resonancias de Mie, que están presentes cuando los tamaños son comparables a las longitudes de onda de la luz involucrada, lo cual se puede lograr fácilmente para los resonadores con formas normales tales como discos, cilindros o esferas. En un conjunto aleatorio de dichos dispersores idénticos, las resonancias sobreviven como picos en los parámetros de transporte, y en particular en el recorrido libre medio de transporte ell_t(?). Se escogen esferas de poliestireno monodispersas (variación de tamaño menor del 3%) como constituyentes de un sistema aleatorio sólido, tridimensional, que se ha llamado "vidrio fotónico".

Aquí se describe la acción láser aleatoria a partir de dichos vidrios fotónicos. La naturaleza resonante de ell_t(?) selecciona la energía de la acción láser. Se demuestra experimentalmente que la longitud de onda de la acción láser se hace muy sensible al diámetro de las esferas constituyentes y sigue las resonancias del sistema. En un sistema con una curva de ganancia ancha se puede observar de esta forma la competición de modos, porque se tiene acceso a más de una resonancia con ganancias comparables. El auto- ordenamiento de esferas monodispersas es la técnica más usada para crecer ópalos artificiales.

Descripción de las figuras

Las figuras 1a-1d muestran mediciones estáticas del transporte de luz en el vidrio fotónico, observándose en la figura 1a una imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) de un vidrio fotónico con una fracción de llenado de ~0,55 y d = 1,22 µm, y en las figuras 1b-1d, la transmisión total para los vidrios fotónicos con d = 1,0 µm, 0,9 µm y 0,2 µm, respectivamente. La polidispersidad para todas las muestras es ~2%. La transmisión integrada total se midió con una esfera integradora, bajo iluminación con luz blanca.

Las figuras 2a-2d muestra la acción de láser aleatorio de vidrios fotónicos: la figura 2a muestra la emisión del láser aleatorio para vidrios fotónicos con diferentes diámetros de las esferas comparado con la fluorescencia del colorante seco puro y una muestra de referencia (indicado por la flecha) hecha con polvo de TiO₂ dopado con el colorante orgánico 4-dicianometileno-2-metil-6-p-dimetilaminoestirilo-4H-pirano DCM seco (curva de puntos). La energía de bombeo de todas las muestras es ~14 mJ. En la figura 2b se observar una figura característica para el láser aleatorio (d = 1,22 µm), que destaca el umbral alrededor de 5 mJ de energía de bombeo y en las figuras 2c y 2d se observa la intensidad de emisión y transmisión total para vidrios fotónicos con d = 0,9 µm y 1,0 µm, respectivamente donde la acción láser se produce cerca del mínimo de transmisión.

Las figuras 3a-3b muestran la acción láser aleatoria de suspensiones de esferas, donde la figura 3a muestra la transmisión integrada total para un vidrio fotónico (línea curva de puntos) y para una suspensión de esferas en etanol (línea plana de puntos) con d = 1,22 µm y concentración de 5% en volumen, en el que el índice de refracción del medio huésped aumenta de 1 (aire) a 1,36 (etanol), en el que la figura 3b, se observa la emisión de láser aleatorio para diferentes suspensiones de esferas en etanol con DCM como medio óptico activo, con una energía de bombeo externa fijada en 14 mJ, en este caso la separación espectral total de los máximos de emisión para las diferentes suspensiones es sólo 7 nm.

En la figura 4 se observa la competición de modos entre resonancias de Mie, donde se aprecia la razón...

1. Método de control espectral de la emisión de un láser aleatorio formado por un sistema aleatorio sólido tridimensional constituido por dispersores esféricos monodispersos, caracterizado porque consiste en controlar la longitud de onda de la acción láser mediante el control del diámetro y el índice de refracción de los dispersores esféricos.