Montagem Experimental

No início do trabalho com os lasers semicondutores de modos bloqueados, foi projetado um auto-correlador para o estudo sobre a largura do impulso do laser. O auto-correlador está representado na Figura 48 na página 78. Nesta secção irá ser apresentada a montagem e as consequentes alterações introduzidas no protótipo para satisfazer os requisitos específicos deste estudo.

Os desenhos originais são apresentados na Figura 57. É um correlador não-linear e baseia-se na correlação de intensidade com geração da 2ª harmónica. Na parte (a) da figura está representado o esquema do correlador para realizar autocorrelação. A entrada para o correlador é efetuada através de um ‘fiber port’V com 5 graus de liberdade para otimizar a colimação e alinhamento do feixe. O feixe é dividido em dois, onde uma parte segue para a mesa de translação com um retrorrefletor pequeno e a outra parte segue para outro retrorrefletor de maiores dimensões, o braço fixo, num esquema equivalente a um interferómetro de Michelson. Com o auxílio de uma lente, os dois feixes são focados sobre o cristal de 2ª harmónica.

V _{O ‘fiber port’ é um componente óptico que serve como colimador, no entanto, o que distingue este colimador}

Figura 57 – Esquema da montagem (a) configurada para auto-correlador e (b) configurada para o sistema metrológico de medidas de distâncias. A linha vermelha representa o trajeto do feixe laser.

Como mencionado anteriormente (página 78), é possível converter o auto-correlador num correlador cruzado, que é necessário para o sistema metrologia, bastando remover o retrorrefletor do braço de fixo e substituir por dois ‘fiber ports’. A fibra que conecta os dois ‘fiber ports’ tem a função de simular um percurso óptico elevado. A fibra utilizada nos estudos é do tipo ‘panda’, mono-modo. A caraterística principal da fibra tipo panda é manter a polarização durante o percurso que a radiação realiza no seu interior. A sua designação comum é PM, acrónimo das siglas em inglês ‘Polarization Maintaining’. A fibra é fabricada pela OFR com a referência PM980-XP. O intervalo de funcionamento, em termos de comprimento de onda, é entre os 970 nm e os 1550 nm. É otimizada para telecomunicações de longa distância possuindo uma baixa atenuação, apenas < 2,5 dB/km@980 nm e com um índice de refração de 1,4475 para os 1240 nm. Um suporte de fibras contém três fibras de diferentes comprimentos; 70 m, 15 m e 3 m; conforme é observado na Figura 58.

(a) (b) Mesa de Translação Retrorrefletor do braço de medição Entrada do laser Cristal de 2ª Harmónica Fiber ports de entrada e saída do braço de medição Fotodíodo Lente de Focagem Retrorrefletor do braço de referência

Figura 58 – Montagem da fibra no braço de medida do sistema de metrologia. Nesta montagem existem três opções para o comprimento de fibra (70 m, 15 m e 3 m).

Em virtude dos baixos níveis de intensidade do sinal vindo do fotodíodo da correlação cruzada, após propagação na fibra que simula o percurso óptico longo, foi necessário modificar a tipologia da montagem para um esquema de correlação não colinear para correlação colinear (ex. Figura 17, pág. 28).

Para realizar a adaptação foi necessária a introdução de um divisor de feixe a funcionar como combinador. A sua posição é no cruzamento dos dois feixes. Existem duas possibilidades de combinação dos dois feixes. Na primeira, a trajetória do feixe no braço móvel não é alterada o que implica o uso de um divisor de feixe não polarizado. Na segunda possibilidade, a trajetória do feixe no braço móvel sofrer uma deflexão de 90º, o que permite fazer uso de um divisor de feixe polarizado. Com o divisor de feixe polarizado existe a opção de cada braço possuir polarizações ortogonais e desta forma utilizar o detetor baseado no grau de polarização, DOP. Optou-se pela segunda, em que as modificações ao esquema de montagem são apresentadas na Figura 59(a). Para a utilização do detetor DOP basta remover o espelho M3 e os feixes ortogonais seguem diretamente para o detetor.

Uma razão complementar, deve-se à possibilidade de acrescentar dois espelhos de alinhamento (M3 e M4) para redirecionar o feixe para o eixo óptico do sistema ‘cage’VI e assim beneficiar dos componentes ópticos que usam esse sistema, tal como o suporte do cristal de 2ª harmónica que possui rotação em torno do eixo óptico do sistema.

No entanto, esta adaptação tem como principal desvantagem a mistura da frequência fundamental com o sinal da 2ª harmónica. A separação dos dois comprimentos de onda é realizada por uma rede de difração. A Figura 59(b) apresenta a fotografia da montagem do correlador colinear.

Figura 59 – (a) Esquema da adaptação da correlação não colinear para a colinear e (b) fotografia da montagem do detetor.

Com o aumento do sinal na geração da 2ª harmónica e a fibra no braço de medição, é possível realizar medidas de distância em modo I. Recorde-se que, para a obtenção de medidas de distância neste modo, é essencial um percurso óptico elevado para que a separação dos picos de correlação estejam mais próximos um do outro, em termos de frequência do trem de impulsos do laser. Os resultados desta montagem serão evidenciados no capítulo ‘Aplicação do Laser de Modos Bloqueados ’ na página 143.

A alteração de correlação cruzada não colinear para colinear permitiu efetuar medidas de longas distâncias, no entanto, limita o estudo da resolução do sistema metrológico por não permitir introduzir pequenas alterações no comprimento do braço de medida. A forma de contornar esta limitação é acrescentar uma mesa de translação, T2, no trajeto óptico do braço de medida, e com esta alteração é possível efetuar pequenas variações no comprimento. O esquema da montagem encontra-se na Figura 60. Saliente-se que este esquema permite usar em alternância quer o detetor de 2ª harmónica, quer o detetor baseado no grau de polarização, DOP. Para selecionar o detetor DOP é necessário remover o espelho M3.

FD

Entrada do Laser

Divisor de Feixe não Polarizado

τ Cristal 2ª HarmónicaTipo I (ooe)

Polarizador 90º Entrada do Laser τ FD (a) (b) Rede de Difração Rede de Difração Cristal 2ªH M3 M3 & M4

Figura 60 – Esquema da montagem usada para efetuar medições com o laser de dupla secção, com a mesa de translação no braço de medida para realizar pequenas alterações do percurso óptico.

Em síntese, a montagem experimental foi evoluindo à medida das necessidades. A mudança mais significativa foi a passagem de correlação não linear para colinear, em que a razão sinal/ruído aumentou significativamente, embora o sinal de correlação continuasse fraco, cerca de -30 dBm de máximo.