Inestabilidades en láseres de estado sólido y gran apertura

Resumen

En los láseres de gran apertura las pérdidas por difracción de los modos transversos de alto orden son relativamente reducidas, por lo que es frecuente que estas soluciones para las ecuaciones de Maxwell Bloch en aproximación paraxial sean capaces de autoamplificarse y participar en la dinámica transversa. La interacción no lineal entre modos transversos da lugar a la aparición de distintas inestabilidades espacio temporales. En esta memoria se recogen varios trabajos dedicados al estudio de las propiedades dinámicas de un sistema láser de estas características, operado en régimen libre y bombeado mediante dos lámparas de destello alimentadas por un pulso de alta intensidad. En el primero de estos trabajos se analiza la aparición de modos transversos no ortogonales. Dada la alta similitud entre los patrones experimentales y diferentes familias de modos electromagnéticos transversos, definidos para cavidades vacías y régimen de onda continua, es frecuente asumir que propiedades como la ortogonalidad de los modos canónicos son heredadas por los modos experimentales. Sin embargo en nuestro sistema la ortogonalidad no se cumple, como demuestra la persistencia de batidos de modos transversos en el espectro de la potencia total emitida por el láser. El análisis del perfil de fluorescencia inducido por las lámparas de destello en el interior de un medio activo de YAG dopado con neodimio, así como la realización de simulaciones numéricas en las que este perfil es modelado en dos casos, simétrico y asimétrico, nos permite relacionar la asimetría detectada en el bombeo experimental con la violación de la ortogonalidad en los modos resultantes. Este resultado amplía la lista de fenómenos cuya capacidad para producir la desortogonalización del patrón transverso es conocida. En el segundo estudio se compara la evolución a lo largo del pulso de emisión de la dinámica transversa sostenida por diferentes medios activos dopados con neodimio. Como demuestran las medidas de intensidad local y los patrones instantáneos obtenidos, los tres materiales comparados evolucionan de diferente manera en función del tipo de ensanchamiento de su curva de ganancia. A pesar de contar con mecanismos de reparto de inversión de población de muy distinta magnitud, los materiales con ensanchamiento inhomogéneo mantienen una estructura hasta cierto punto ordenada a lo largo de todo el tiempo de emisión, incluso cuando éste se alarga variando la configuración del circuito de bombeo. Por el contrario, el medio con ensanchamiento homogéneo muestra una transición dinámica tras la cual el patrón resultante presenta un aspecto desordenado y una muy baja correlación espacial entre distintos puntos situados a lo ancho del haz. En el último trabajo se explica la aparición de una modulación de 1,6 MHz en el espectro de intensidad local de nuestro dispositivo experimental. Esta modulación, que no ha sido descrita previamente en dispositivos análogos, está originada por una onda acústica radial y estacionaria inducida en el medio activo por el estallido de las lámparas de destello. La variación lateral de la magnitud de la intensidad de este desdoblamiento concuerda con la forma geométrica esperable en una vibración de esta naturaleza y con la velocidad del sonido en el medio activo. Para confirmar que la modulación aparece cuando la onda de choque creada por la actividad de las lámparas incide sobre el medio activo se comparó el espectro del láser cuando es operado en condiciones normales y cuando lo es a menos de 1 mTorr, comprobándose que la ausencia de aire en el interior de la cámara de bombeo inhibe el desdoblamiento. Todas las investigaciones experimentales están respaldadas por simulaciones numéricas escritas en C, en las cuales los resultados experimentales son reproducidos cualitativa y cuantitativamente mediante la integración directa de las ecuaciones de Maxwell Bloch.