Nuevos avances en tecnologías láser del infrarrojo medio

La región del infrarrojo medio es especialmente interesante para muchas aplicaciones debido a que las frecuencias electromagnéticas que entran en juego coinciden con las frecuencias del movimiento vibratorio interno de la mayoría de las moléculas. El desarrollo de fuentes luminosas en el infrarrojo medio ofrece de esta manera nuevas oportunidades, en particular en la espectroscopia, si se compara con los espectrómetros de transformada de Fourier utilizados tradicionalmente. Las ventajas principales son la coherencia, la breve duración del pulso y la elevada radiancia espectral.

El equipo de científicos de ASEL-MID-IR (Compact, high-energy, and wavelength-diverse coherent mid-infrared source) se propuso convertir las frecuencias de láseres de estado sólido que operan en el infrarrojo cercano y medio. Un oscilador óptico paramétrico (OPO) que contiene elementos no lineales convertía las ondas láser entrantes (las bombas) de láseres de estado sólido en ondas de una longitud de onda mayor.

Después de un estudio detallado de la bibliografía especializada en arquitecturas de láseres de estado sólido, los investigadores utilizaron un láser de fibra dopado con tulio y un láser YAG dopado con holmio de formación de pulsos gigantes que opera a 2,1 μm. Estas fuentes de bombeo presentan mejor control térmico y capacidad de aumentar la escala de energía que los láseres de estado sólido convencionales de 1 μm. Un OPO compuesto por un cristal ZGP con no linealidades de segundo orden convertía la longitud de onda de las fuentes de bombeo en ondas de infrarrojo medio.

El láser YAG dopado con holmio generó más de 25 W de energía de pulsos a 2,1 μm, con una tasa de repetición del pulso a 10-200 kHz y duración del pulso de menos de 15 ns. El OPO con el cristal ZGP produjo una señal de la región del infrarrojo medio de ancho de banda saliente con una energía promedio mayor a 5 W y un espectro desde 3,5 a 5 μm. La eficiencia de conversión fue de cerca de un 40 %, superando las estimaciones iniciales.

El uso de configuraciones de OPO alternativas como un OPO con intracavidad demostró que la señal saliente puede reconvertirse en la señal de la bomba, imitando con eficacia un medio no lineal de tercer orden. Para aprovechar la generación del tercer armónico, el equipo de trabajo utilizó un láser Raman de cavidad externa con un cristal BaWO4. La longitud de onda saliente generada fue la más larga registrada hasta el momento con aumento de escala de la energía saliente en vatios. La superposición del rango espectral de las fuentes con el intervalo de absorción de vapor de agua ofrece más aplicaciones en detección de gas e higrometría en el infrarrojo.

Los científicos en última instancia sustituyeron el láser con fibra dopada con tulio con un láser de diodo de tulio propio que contiene un cristal YLF como medio emisor de láser para el empaque compacto de la solución prototipo.

Las aplicaciones están encaminadas hacia los láseres del infrarrojo medio. Los prototipos de fuentes luminosas del IR medio portátiles y compactos de ASEL-MID-IR con tasas de repetición de pulsos y energía saliente altas pueden servir para aplicaciones en técnicas de seguridad, diagnóstico médico y detección de gas.