láser de titanio-zafiro

Los osciladores de bloqueo de modos generan pulsos ultracortos con una duración típica de entre unos pocos picosegundos y 10 femtosegundos , e incluso de alrededor de 5 femtosegundos en casos especiales (pocos ciclos de onda portadora en cada pulso láser). La frecuencia de repetición de pulsos suele estar entre 70 y 90  MHz, determinada por la trayectoria óptica de ida y vuelta del oscilador, que normalmente es de unos pocos metros. Los osciladores de Ti:zafiro se bombean normalmente con un haz láser de onda continua procedente de un láser de argón o de Nd:YVO4 con duplicación de frecuencia . Por lo general, dicho oscilador tiene una potencia de salida media de entre 0,4 y 2,5 vatios (de 5,7 a 35 nJ en cada pulso láser para una frecuencia de repetición de 70 MHz).

Estos dispositivos generan pulsos ultracortos de ultra alta intensidad con una duración de 20 a 100 femtosegundos. Un amplificador típico de una etapa puede producir pulsos de hasta 5 milijulios de energía a una frecuencia de repetición de 1000 hercios , mientras que una instalación multietapa más grande puede producir pulsos de hasta varios julios , con una frecuencia de repetición de hasta 10 Hz. Generalmente, los cristales amplificadores se bombean con un láser Nd:YLF  pulsado de frecuencia duplicada a 527 nm y operan a 800 nm. Existen dos diseños diferentes para el amplificador: amplificador regenerativo y amplificador de pasos múltiples.  

Los amplificadores regenerativos funcionan amplificando pulsos individuales provenientes de un oscilador (véase más arriba). En lugar de una cavidad convencional con un espejo parcialmente reflectante, contienen conmutadores ópticos de alta velocidad que introducen un pulso en la cavidad y lo extraen justo en el momento preciso en que ha alcanzado una alta intensidad.

El término « pulso modulado en frecuencia » se refiere a una construcción especial necesaria para evitar que el pulso dañe los componentes del láser. El pulso se expande en el tiempo para que la energía no se concentre en un mismo punto del espacio y el tiempo. Esto evita daños en la óptica del amplificador. Posteriormente, el pulso se amplifica ópticamente y se recomprime en el tiempo para formar un pulso corto y localizado. Toda la óptica posterior a este punto debe seleccionarse teniendo en cuenta la alta densidad de energía.

En un amplificador de pasos múltiples , no hay conmutadores ópticos. En su lugar, espejos guían el haz un número fijo de veces (dos o más) a través del cristal de zafiro dopado con titanio, con direcciones ligeramente diferentes. Un haz de bombeo pulsado también puede pasarse varias veces a través del cristal, de modo que cada vez más pasadas bombean el cristal. Primero, el haz de bombeo bombea un punto en el medio de ganancia. Luego, el haz de señal pasa primero por el centro para una amplificación máxima, pero en pasadas posteriores se aumenta el diámetro para mantenerse por debajo del umbral de daño, para evitar la amplificación de las partes exteriores del haz, aumentando así la calidad del haz y eliminando parte de la emisión espontánea amplificada y agotando completamente la inversión en el medio de ganancia.

Los pulsos procedentes de amplificadores de pulsos modulados en frecuencia se convierten a menudo a otras longitudes de onda mediante diversos procesos ópticos no lineales .

Con 5 mJ en 100 femtosegundos, la potencia máxima de dicho láser es de 50 gigavatios. ^{[ 5 ]} Cuando se enfocan mediante una lente, estos pulsos láser ionizan cualquier material colocado en el foco, incluidas las moléculas de aire, y dan lugar a la propagación de filamentos cortos y fuertes efectos de óptica no lineal que generan un amplio espectro de longitudes de onda.

El titanio-zafiro es especialmente adecuado para láseres pulsados, ya que un pulso ultracorto contiene inherentemente un amplio espectro de componentes de frecuencia. Esto se debe a la relación inversa entre el ancho de banda de frecuencia de un pulso y su duración, al ser variables conjugadas . Sin embargo, con un diseño apropiado, el titanio-zafiro también puede utilizarse en láseres de onda continua con anchos de línea extremadamente estrechos y sintonizables en un amplio rango.