Desarrollo de láseres de pulsos ultracortos de supercontinuo coherente todo-fibra y aplicación en microscopía óptica no lineal.

• Autores: Azahara Almagro Ruiz
• Directores de la Tesis: Javier Solís Céspedes (dir. tes.), Pere Pérez-Millán (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2023
• Idioma: español
• Títulos paralelos:
  • Development of all-fiber coherent supercontinuum ultrashort-pulse lasers and application to nonlinear optical microscopy.
• Tribunal Calificador de la Tesis: Rosa María Weigand Talavera (presid.), Jesús del Hoyo Muñoz (secret.), Salvador Torres Peiró (voc.), Martina Delgado-Pinar (voc.), Enrique Tajahuerce Romera (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física por la Universidad Complutense de Madrid
• Materias:
  • Física
    • Óptica
      • Fibras ópticas
      • Láseres
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
• Resumen

  • Las fuentes de supercontinuo (SC) se utilizan actualmente en numerosas aplicaciones: telecomunicaciones, metrología de frecuencia, espectroscopía, microscopía óptica no lineal (NLO) y obtención de imágenes en biomedicina, entre otras. En algunos casos se requiere que exista coherencia temporal entre los pulsos emitidos por la fuente de SC. Un alto grado de coherencia confiere propiedades de mayor estabilidad, menor intensidad de ruido y la capacidad de compresión temporal de los pulsos hasta el límite permitido por su transformada de Fourier (FTL). Para que la coherencia temporal no se rompa durante el proceso de generación del SC, es necesario explotar efectos no lineales que no impliquen fenómenos solitónicos, que se dan cuando la propagación de los pulsos se produce en regiones del espectro en los que la dispersión cromática de las fibras es anómala. Efectos como la automodulación de fase y la mezcla de cuatro ondas en condiciones de dispersión cromática normal favorecen un ensanchamiento temporalmente coherente. Se ha demostrado experimentalmente que se pueden generar SCs altamente coherentes excitando fibras de cristal fotónico de dispersión todo-normal (ANDi PCF).

    El objetivo de esta tesis consiste en obtener fuentes de SC coherente comerciales que se puedan utilizar en aplicaciones que requieran el uso de láseres de pulsos ultracortos temporalmente coherentes. Para ello, diseñamos las fuentes de este trabajo con arquitecturas todo-fibra. Los beneficios de esta característica, que son tener fuentes láser permanentemente alineadas, robustas, que no necesitan mantenimiento periódico y de fácil manejo para el usuario final, favorecen el uso de la fuente y facilitan la adopción del SC temporalmente coherente en laboratorios de distintas disciplinas. Se han obtenido una fuente todo-fibra, centrada en 1.06 um, de emisión SC coherente excitando ANDi PCFs; y una fuente monolítica de SC centrada en 1.5 um excitando fibras de gradiente de índice (GRIN) de núcleo sólido con cero de dispersión en torno a 1535 nm.

    Para la primera fuente se diseñaron y fabricaron las ANDi PCFs. Se excitaron con un láser de fibra de pulsos ultracortos de alta frecuencia de repetición basado en bloqueo de modos pasivo a la longitud de onda central de 1060 nm. Así se generó un SC de 150 nm de ancho de banda y se estudió su coherencia temporal mediante un compresor de espacio libre de escaneo de dispersión (d-scan) confirmando que la duración del pulso comprimido, 12.6 fs, era prácticamente su FTL. La fuente se ha comercializado en el ámbito de la microscopía NLO. Hemos estudiado su desempeño como fuente de iluminación en microscopía NLO multiespectral y multimodal obteniendo: imágenes de diferentes especímenes biológicos a través de la fluorescencia de excitación de dos fotones, simultáneamente en varios fluoróforos con absorción en distintas longitudes de onda; imágenes con la combinación de esta técnica y la generación de señal de segundo armónico, permitiendo observar a la vez neuronas, músculo y faringe de un espécimen C. elegans in vivo. Los estudios han demostrado que la utilización de esta fuente de SC coherente todo-fibra permite obtener imágenes de especímenes de tejido dispersivo con resolución celular y a mayor profundidad que con fuentes de uso tradicional.

    Con la segunda fuente se estudió la generación de SC excitando fibras GRIN de distintos diámetros de núcleo y longitudes a distintas frecuencias de repetición, con un láser monolítico de pulsos ultracortos basado en bloqueo de modos pasivo a la longitud de onda central de 1535 nm. Así se obtuvo un espectro SC de aprox. 600 nm. Asimismo, se simuló la generación de SC en función de la longitud de la fibra excitada y se comparó con los resultados experimentales obteniendo una buena correspondencia cualitativa. Se hizo un estudio de la compresión del pulso con d-scan y se midió el grado de coherencia temporal entre dos pulsos consecutivos mediante un experimento de interferencia.