Láseres cuasi-CW con bloqueo de modo Para muchas aplicaciones, las características temporales definidas con precisión de la salida del láser son más importantes que una energía definida con precisión.De hecho, lograr pulsos ópticos temporalmente cortos requiere una configuración de cavidad en la que muchos modos longitudinales resuenan simultáneamente.Cuando estos modos longitudinales circulantes tienen una relación de fase fija en la cavidad del láser, el láser se bloquea en modo.Esto da como resultado un solo pulso que oscila en la cavidad, con un período definido por la longitud de la cavidad del láser.El bloqueo de modo se puede lograr de forma activa, utilizando un modulador acústico-óptico (AOM), o pasivamente a través del bloqueo de modo de lente Kerr.El primero, popular en la década de 1980, utiliza un AOM intracavitario como obturador transitorio, abriéndose y cerrándose a la mitad de la frecuencia de la longitud de la cavidad.Con este método, se pueden lograr pulsos de cientos de picosegundos.En las últimas décadas, las aplicaciones científicas requieren una resolución de tiempo mejorada, lo que crea la necesidad de pulsos más cortos.Los láseres de colorante bombeados sincrónicamente surgieron como un método para ajustar la longitud de onda central y acortar el pulso óptico en un orden de magnitud, en el rango de decenas de picosegundos.Para lograr este estado, la cavidad del láser de colorante debe tener la misma longitud de cavidad que el láser de bombeo de modo bloqueado.Los pulsos de la bomba y del láser de tinte se encuentran en el medio de ganancia para generar la emisión estimulada de la molécula de tinte.La salida del láser se estabiliza ajustando la longitud de la cavidad del láser de colorante.La configuración de bomba síncrona también se puede utilizar para impulsar osciladores paramétricos ópticos (OPO) (discutido a continuación).Los láseres con bloqueo de modo Ti:zafiro son un ejemplo de bloqueo de modo de lente Kerr pasivo (Figura 3).En este método, los pulsos se generan a través de la modulación de ganancia y el índice de refracción dependiente de la intensidad de Ti:zafiro.En principio, a medida que el pulso se propaga a través del medio de ganancia, la intensidad máxima es mayor cuando el pulso está presente.Esto crea una lente pasiva que enfoca el haz de pulso con más fuerza y ​​extrae la ganancia de manera más eficiente hasta que no hay ganancia disponible para soportar la resonancia simultánea del modo CW en la cavidad.Se utiliza una perturbación mecánica en la cavidad para provocar un pico de intensidad para iniciar el bloqueo del modo.Con este método, se han generado pulsos tan cortos como 4 fs usando Ti:zafiro.Figura 3. En un láser Ti:zafiro de modo bloqueado, la longitud de onda central se sintoniza moviendo una ranura de sintonización, ubicada entre dos prismas dispersivos.Es importante tener en cuenta que se pueden combinar más de 300 nm de ancho de banda en un solo pulso.De acuerdo con el principio de incertidumbre de Heisenberg, los pulsos más cortos requieren más modos longitudinales.Debido a esto, la cavidad del láser debe tener suficiente compensación de dispersión desde la óptica de la cavidad para mantener la relación de fase necesaria para el bloqueo de modo estable.Como se muestra en la Figura 3, se agregan prismas de compensación a la cavidad para garantizar una relación de fase constante.Usando este método, se pueden lograr pulsos tan cortos como 20 fs.Para generar pulsos más cortos, también se deben compensar las contribuciones de mayor orden a la dispersión.Esta compensación se logra utilizando espejos especiales que introducen chirp óptico para mantener la relación de fase necesaria para el bloqueo de modo estable.Debido a que el bloqueo del modo Kerr-lens es más eficiente con pulsos más cortos (mayor intensidad), este método se aplica principalmente a la generación de pulsos de femtosegundos.En el rango intermedio entre 100 fs y 100 ps, ​​se puede utilizar un enfoque híbrido llamado bloqueo de modo regenerativo.Este método emplea tanto un AOM intracavitario como el efecto Kerr.La frecuencia de activación de AOM se deriva de una medición en tiempo real de la frecuencia de repetición de la cavidad, y la amplitud depende de la duración del pulso.A medida que aumenta el ancho de pulso deseado y disminuye el efecto Kerr, la amplitud estabilizadora de AOM aumenta para admitir el bloqueo del modo.Como resultado, el bloqueo del modo regenerativo es capaz de proporcionar una salida ajustable y estable en un amplio rango de 20 fs a 300 ps, ​​mientras se usa un solo sistema láser.A fines de la década de 1990, el bloqueo del modo regenerativo permitió el primer láser de Ti: zafiro sintonizable de una caja controlado por computadora.Esta innovación hizo que la tecnología fuera más accesible para una gama más amplia de investigadores y aplicaciones.Los avances en la generación de imágenes multifotónicas han sido impulsados ​​en gran medida por el avance tecnológico.Los pulsos de láser de femtosegundos ahora son accesibles para biólogos, neurocientíficos y médicos.Por ejemplo, a lo largo de los años, varias mejoras han hecho que el láser Ti:zafiro sea omnipresente en el campo de la bioimagen.Láseres de iterbio ultrarrápidos A pesar de la utilidad del Ti:zafiro, algunos experimentos de bioimagen exigen longitudes de onda más largas.Un proceso típico de absorción de dos fotones se inicia con un fotón de 900 nm.Debido a que las longitudes de onda más largas significan menos dispersión, los experimentos biológicos que requieren una profundidad de imagen más profunda son impulsados ​​de manera más eficiente por longitudes de onda de excitación más largas.También es importante considerar la longitud de onda del fotón de fluorescencia subsiguiente del tinte adherido a la muestra biológica.Este fotón de fluorescencia generalmente se emite en el rango de longitud de onda de 450 a 550 nm, que será más susceptible a la dispersión.Por esta razón, se han desarrollado varios marcadores fluorescentes que absorben más en el rango de longitud de onda infrarroja.Para abordar este requisito, se desarrollaron OPO de una caja, controlados por computadora y bombeados sincrónicamente impulsados ​​por láseres de iterbio de 1045 nm.Esta nueva clase de láser produce una salida en el rango de 680 a 1300 nm.Para la generación de imágenes multifotónicas, esta arquitectura ofrece una alternativa de rendimiento significativamente superior al Ti:zafiro.Amplificadores ultrarrápidos Los ejemplos anteriores producen pulsos ultrarrápidos en el rango de energía de nanojulios.Sin embargo, muchas aplicaciones requieren fuentes de luz sintonizables de mayor energía.Debido a que la conversión de longitud de onda es un proceso no lineal, la eficiencia depende de la energía disponible.Para estas aplicaciones, se utilizan varias tecnologías para aumentar la energía y la capacidad de ajuste de los láseres ultrarrápidos.La amplificación de pulsos ultrarrápidos se divide en dos categorías: amplificadores multipaso y regenerativos.El primero tiene la ventaja de alcanzar energías muy altas (100 mJ) con un fondo muy bajo, pero los repetidos pasos por la etapa de amplificación pueden degradar la calidad del haz de salida.Por esta razón, la amplificación regenerativa es el método preferido para generar energías de pulso en el rango de microjulios o milijulios.En general, la amplificación de pulsos ultrarrápidos se logra a través del método de amplificación de pulsos chirp (Figura 4).El proceso comienza con un oscilador de bloqueo de modo con una duración de pulso de femtosegundos: el láser semilla.Es importante que el láser semilla tenga suficiente ancho de banda para que la duración del pulso se pueda estirar temporalmente o chirriar en el tiempo.El chirrido óptico se genera porque los diferentes colores de la luz viajan a diferentes velocidades a través de los materiales ópticos.En general, las longitudes de onda rojas se propagarán más rápido que las longitudes de onda azules.La rejilla de camilla introduce un chirrido positivo rojo antes que azul, por ejemplo, para separar los componentes de longitud de onda en el tiempo y el espacio.El estiramiento es necesario para reducir el intenso pico de potencia de un pulso de femtosegundo a nivel de milijulios.Después del estiramiento, el pulso de casi 300 ps se dirige a una cavidad láser regenerativa secundaria.El paso final es usar una segunda rejilla para introducir un chirrido negativo y reconstruir el pulso amplificado.Este proceso se muestra esquemáticamente en la Figura 4. La mayoría de los amplificadores regenerativos actuales utilizan Ti:zafiro, pero otros medios de ganancia, como el iterbio, están ganando popularidad.En ambos casos, los amplificadores tienen una sintonizabilidad estrecha, alrededor de 780 a 820 nm para Ti:zafiro, lo que limita su utilidad cuando se aplica a la espectroscopia.Para superar esta limitación, hay disponibles varias opciones de conversión de frecuencia.