Laser beam characterization by knife-edge technique for high-precision nonlinear optics measurements

Abstract

La caracterización precisa del perfil e intensidad de un haz láser es fundamental en óptica no lineal, ya que parámetros como el índice de refracción no lineal n2 y la susceptibilidad de tercer orden χ(3) dependen críticamente de la intensidad en el eje I0, la cual escala cuadráticamente con la cintura del haz w0. Por lo tanto, pequeñas incertidumbres en w0 pueden generar errores significativos en la estimación de parámetros no lineales. En este trabajo se desarrolla y valida un sistema totalmente automatizado para la caracterización de haces mediante la técnica de la navaja, utilizando un láser He-Ne de 543.5 nm y 1.5 mW. El sistema integra una plataforma de traslación motorizada y un medidor de potencia Thorlabs PM100D, ambos controlados mediante una interfaz desarrollada en MATLAB que permite la adquisición sincronizada y el ajuste robusto por mínimos cuadrados no lineales. Cada corte transversal proporciona el radio del haz w(z), la posición del centro r0(z) y la potencia transmitida P0(z); posteriormente, la cintura w0 y el rango de Rayleigh zR se obtienen mediante un ajuste a la ley de propagación gaussiana. El método se evaluó bajo perturbaciones controladas, incluyendo rotación de la navaja y desalineamientos deliberados del haz. Las trayectorias del centro del haz r0(z) revelaron de manera consistente una ligera curvatura no lineal asociada a la firma mecánica intrínseca de la plataforma de traslación. En contraste, el radio del haz w(z) se mantuvo notablemente estable. Con este procedimiento se estimó una cintura enfocada de w0 = 45 µm, con un factor de calidad M2 = 1.17 cercano al límite de difracción. Los intentos por medir refracción no lineal de tercer orden mediante la técnica Zscan en BaTiO3, SBN:61 (Sr0.61Ba0.39Nb2O6) y películas de gelatina con extracto de Hibiscus sabdariffa no mostraron señales reproducibles. Este resultado se atribuye a la débil χ(3) intrínseca de estos materiales bajo excitación continua, a la baja potencia incidente y al espesor milimétrico de las muestras, factores que reducen la fase no lineal por debajo del umbral de detección. A pesar de la ausencia de efectos no lineales medibles, este trabajo demuestra una metodología automatizada, robusta y reproducible basada en la técnica de la navaja, e introduce métricas cuantitativas de alineación capaces de servir como herramienta diagnóstica en futuros experimentos de óptica no lineal bajo condiciones de excitación adecuadas.