Investigación sobre la relación de extinción de los conmutadores Q electroópticos de doble cristal (01)

1. Introducción

Los láseres de alta potencia pico y ancho de pulso estrecho se utilizan ampliamente en campos como el procesamiento láser, la detección optoelectrónica, la óptica no lineal y la medicina. La conmutación Q es un método principal para generar láseres pulsados; entre las diversas técnicas, la conmutación Q electroóptica se emplea ampliamente en sistemas láser de pulso corto debido a su alta velocidad de conmutación, robusta capacidad de apagado, controlabilidad activa y la facilidad con la que se puede sincronizar con alta precisión con otros instrumentos.

Cristales electroópticos (www.wisoptic.com) son los componentes críticos que determinan el rendimiento de los conmutadores Q electroópticos. Actualmente, los cristales electroópticos que han alcanzado aplicación práctica incluyen principalmente niobato de litio (LiNbO₃, LN), fosfato de dideuterio y potasio (KD₂PO₄, DKDP) (www.wisoptic.com), y fosfato de titanilo de rubidio (RbTiOPO₄, RTP). Como cristales uniaxiales, el LN y el DKDP se utilizan típicamente en conmutadores Q electroópticos con luz que se propaga a lo largo del eje óptico; si bien esta configuración permite la conmutación Q utilizando un solo cristal, no aprovecha el coeficiente electroóptico efectivo máximo del cristal, lo que da como resultado un alto voltaje de media onda. Si la luz se propaga a lo largo de una dirección no óptica, entra en juego la birrefringencia natural, que también depende en gran medida de la temperatura; en consecuencia, se debe utilizar un par de cristales para compensar tanto la birrefringencia natural como los efectos inducidos por la temperatura. El RTP, un cristal electroóptico introducido más recientemente, es un cristal biáxico que también requiere una configuración emparejada para compensar la birrefringencia natural. Además, el tantalato de litio (LiTaO₃, LT) comparte una estructura similar a la del LN y posee excelentes propiedades electroópticas. Su tecnología de crecimiento está bien establecida, lo que permite la producción de cristales de gran tamaño y alta calidad óptica, y presenta un umbral de daño significativamente mayor que el del LN. Sin embargo, debido a que el coeficiente electroóptico (γ₂₂) del LT es muy pequeño (aproximadamente 0,1 pm·V⁻¹), no puede configurarse como un Q-switch de LN —donde la luz se propaga a lo largo del eje óptico mientras se aplica un campo eléctrico a lo largo del eje x—. Cuando la luz se propaga a lo largo de otras direcciones, se debe utilizar un par de cristales de LT para compensar la birrefringencia natural. Actualmente, hay relativamente pocos informes sobre el uso de cristales de LT en dispositivos de conmutación Q electroópticos.

En resumen, debido a las limitaciones impuestas por las técnicas de crecimiento de cristales y a las propiedades intrínsecas de los propios cristales, son relativamente pocos los cristales electroópticos adecuados para aplicaciones prácticas. Si bien emplear una configuración de doble cristal es un método eficaz para desarrollar conmutadores Q electroópticos con bajo voltaje de media onda, este enfoque impone requisitos más estrictos sobre la calidad óptica de los cristales, así como sobre la precisión de su fabricación y de su control de temperatura.

Tomando como ejemplo un conmutador Q electroóptico de LT (tantalato de litio) de doble cristal, este artículo investiga sistemáticamente los factores que afectan la relación de extinción de dichos dispositivos. Se establecen las especificaciones necesarias para parámetros que incluyen la calidad óptica del cristal, los parámetros de fabricación y la precisión del control de temperatura. Con base en estos hallazgos, se fabricaron dos conmutadores Q electroópticos de LT de doble cristal de diferentes dimensiones mediante técnicas de mecanizado en frío óptico—específicamente, un proceso de pulido simultáneo (coplanar). Finalmente, se evaluaron la calidad del emparejamiento de los cristales duales y la relación de extinción de los conmutadores Q.