Espejo que chirrió

Un espejo modulado es un espejo dieléctrico con espacios modulados —espacios de profundidad variable diseñados para reflejar diferentes longitudes de onda de luz— entre las capas dieléctricas (apilamiento).

Los espejos chirpeados se utilizan en aplicaciones como los láseres para reflejar un rango más amplio de longitudes de onda de luz que los espejos dieléctricos ordinarios, o para compensar la dispersión de longitudes de onda que pueden crear algunos elementos ópticos. ^{[ 1 ]} Los espejos chirpeados también se encuentran en sistemas biológicos con color estructural , ^{[ 2 ]} incluyendo el brillante color dorado y plateado de los élitros de ciertos escarabajos , por ejemplo, los del género Ruteline Chrysina . En estos casos, el espejo chirpeado genera un color complejo (como oro o plata) cuando se ilumina con luz blanca al reflejar simultáneamente un amplio rango de colores monocromáticos .

Un espejo dieléctrico convencional está diseñado para reflejar una única frecuencia de luz. Está compuesto de materiales transparentes dispuestos en capas uniformes con una profundidad equivalente a un cuarto de la longitud de onda de la luz que refleja. Además, los coeficientes de reflexión de amplitud en las interfaces presentan signos alternos, lo que provoca interferencias constructivas entre todos los componentes reflejados, resultando en una fuerte reflexión para la longitud de onda deseada. El espejo dieléctrico es transparente a otras longitudes de onda, excepto a las que se encuentran en una banda muy estrecha alrededor de la longitud de onda que refleja.

Un espejo modulado en frecuencia está diseñado para reflejar un rango más amplio de frecuencias. Esto se logra creando capas con diferentes profundidades. Puede haber 10 capas con una profundidad diseñada para reflejar una longitud de onda específica, otras 10 capas con una profundidad ligeramente mayor para reflejar una longitud de onda ligeramente más larga, y así sucesivamente para cubrir todo el rango de longitudes de onda que el espejo está diseñado para reflejar. El resultado es un espejo capaz de reflejar un rango completo de longitudes de onda, en lugar de una única banda estrecha.

Debido a que la luz reflejada por las capas más profundas del espejo recorre una mayor distancia que la luz reflejada por las capas superficiales, un espejo modulado en frecuencia puede diseñarse para modificar los tiempos relativos de los frentes de onda de diferentes longitudes de onda que se reflejan en él. Esto puede utilizarse, por ejemplo, para dispersar un pulso de luz de diferentes longitudes de onda que llega simultáneamente o para concentrar un pulso de luz en el que las diferentes longitudes de onda llegan dispersas en el tiempo.

Esta capacidad de concentrar un pulso de luz de diferentes longitudes de onda es importante, ya que algunos elementos ópticos de uso común dispersan naturalmente un paquete de luz según su longitud de onda, un fenómeno conocido como dispersión cromática . Un espejo modulado en frecuencia puede diseñarse para compensar la dispersión cromática generada por otros elementos ópticos en un sistema.

Esta es una explicación simplificada que omite algunas consideraciones técnicas importantes pero más complejas.

Para espejos dieléctricos, se dispone de materiales con un índice de refracción entre aproximadamente 1,5 y 2,2. La amplitud de la reflexión de Fresnel es de aproximadamente 0,2. Con 10 capas, se refleja aproximadamente el 99% de la amplitud de la luz (es decir, el 98% de la intensidad luminosa). Por lo tanto, si un espejo con modulación de frecuencia tiene 60 capas, la luz de una frecuencia específica interactúa solo con una sexta parte de la pila completa.

La reflexión de la primera superficie equivale a una reflexión temprana con chirp inalterado. Esto se evita reservando algunas capas para el recubrimiento antirreflectante . En un caso simple, esto se hace con una sola capa de MgF₂ ₍ que tiene un índice de refracción de 1,38 en el infrarrojo cercano). El ancho de banda es grande, pero no de una octava. A medida que la incidencia varía desde la normal hasta el ángulo de Brewster , la luz polarizada en p se refleja cada vez menos. Para eliminar las reflexiones residuales de la superficie en el caso de múltiples espejos, la distancia entre la superficie y el conjunto es diferente para cada espejo.

Ingenuamente, se podría pensar que la modulación de frecuencia comienza fuera del rango de longitud de onda deseado, y que cualquier longitud de onda dentro de dicho rango experimenta una resonancia completa con aparición y desaparición gradual. Un cálculo detallado (referencias en el enlace externo) muestra que la reflectividad del espejo también debe modularse, lo cual se puede lograr distribuyendo la media longitud de onda de forma desigual entre las zonas de alto y bajo índice de refracción. Estos se denominan espejos de doble modulación de frecuencia.

En los láseres de zafiro-titanio que emplean bloqueo de modos por lente Kerr , los espejos chirpeados se utilizan a menudo como único medio para compensar las variaciones del retardo de grupo. Teniendo en cuenta las cifras anteriores, un solo espejo puede compensar una longitud de trayectoria óptica de  4 μm . Considerando la velocidad de grupo , esto es suficiente para los 3 m de aire dentro de la cavidad; para los 3 mm del cristal de zafiro-titanio se necesitan tres espejos más, de modo que una cavidad Z simple ya puede compensarse. 

Por otro lado, la ganancia del cristal de aproximadamente 1.1, que es lo suficientemente alta para compensar la pérdida de 8 espejos, lo que da más grados de libertad en la compensación del retardo de grupo. Más crítico para pulsos cortos es que los componentes de frecuencia fuera del rango de ganancia del cristal generados indirectamente por la automodulación de fase no se pierden a través de los espejos de extremo o de plegado sino que se transmiten a través del espejo de acoplamiento de salida. ^{[ 3 ]} En una especie de decisión por mayoría los modos del láser deciden qué retardo de grupo elegir, y los componentes espectrales cercanos a este retardo se enfatizan en la salida. Debido a las ondulaciones en la compensación, el espectro también tiene ondulaciones.

Una sola pila refleja entre 780  nm y 800  nm. El espejo chirpeado con seis veces más capas puede reflejar desde 730  nm hasta 850  nm. La ganancia de Ti:Sa es mayor que uno entre 600  nm y 1200  nm. Para reflejar este ancho de banda, se deben aceptar mayores pérdidas. En la amplificación de pulsos chirpeados, estos espejos se utilizan para corregir las variaciones residuales del retardo de grupo después de insertar un compresor de rejilla en el sistema.

La especie de escarabajo Chrysina limbata refleja cerca del 97 % de la luz en todo el rango de longitudes de onda visibles. Esto se logra mediante un espejo modulado en frecuencia compuesto por capas de quitina . Su exoesqueleto de quitina consta de muchas capas, cuyo grosor varía con la profundidad, lo que modifica la longitud del recorrido óptico y produce un espejo modulado en frecuencia. Cada capa modulada está sintonizada a una longitud de onda de luz diferente. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

• Descripción del espejo modulado en frecuencia (en la Enciclopedia de Física Láser)
• Teoría de los cristales fotónicos modulados en frecuencia en reflectores biológicos de banda ancha.