6.1.4.1. Travamento das taxas de repetição (phase lock)
A ideia geral de um circuito de phase lock é assegurar que a diferença entre as taxas de repetição dos dois lasers seja mantida constante durante as medidas. Para isso, as taxas de repetição de ambos os lasers são constamentente monitoradas e enviadas a um mixer, um dispositivo eletrônico que fornece um sinal de saída correspondente à soma e à diferença das taxas. A diferença é usada como sinal de erro para retroalimentar um circuito que aplica tensão em PZTs posicionados em um ou mais espelhos na cavidade, de modo a sintonizar o tamanho (ver Capítulo 2).
Na Figura 70, é apresentado um diagrama do circuito utilizado. Dois filtros passa- banda centrados em 1 GHz são empregados para selecionar o décimo harmônico das taxas de repetição, de modo a aumentar a precisão do travamento. Isso ocorre porque o ruído também é amplificado, então o circuito de controle opera minimizando um erro 10 vezes maior do que o erro entre as frequências fundamentais. O sinal de 1 GHz gerado a partir de YDFL 2 – o laser de excitação da antena emissora – é levado a um mixer junto com um sinal de 10 MHz proveniente de um maser de hidrogênio, de modo a garantir a exatidão da diferença medida. Após passar por um filtro passa-banda centrado em 990 MHz, este sinal é levado a outro
mixer com o sinal proveniente de YDFL 1, fornecendo um novo sinal de 10 MHz que é
rastreável tanto a ambos os lasers quanto ao maser. Um terceiro mixer é então utilizado para combinar este sinal de 10 MHz com outro sinal de 10 + δ MHz gerado por um sintetizador (também referenciado ao maser de hidrogênio). A saída deste último mixer passa por um
filtro passa-baixo de 1,9 MHz, de modo que somente a diferença entre as frequências seja enviada ao loop filter. Este último dispositivo consiste em um circuito que emprega um algoritmo de controle do tipo proporcional integral diferencial (PID [110]) para gerar o sinal que é enviado ao PZT. Quando o Sistema está travado, o sinal de erro é mantido próximo de zero, e a voltagem no PZT oscila entre 0 to 100 V.
Figura 70: Circuito empregado para travar as taxas de repetição.BP: filtro passa banda; PD: fotodiodo; LP: filtro passa baixo; R, L, I: entradas de RF, oscilador local e saída do mixer,
respectivamente; HV PZT: fonte de alta tensão para o PZT.
Além do circuito de travamento, deve-se levar em consideração o atuador em si – neste caso, o espelho montado no suporte com o PZT dentro da cavidade. Um ponto fundamental é que a massa do conjunto espelho + PZT seja a menor possível, de modo a aumentar a frequência de ressonância mecânica e, consequentemente, alargar a banda de controle de taxa de repetição. Para testar essa influência, dois espelhos de tamanhos diferentes foram montados no PZT, e o ruído de fase entre os lasers travados foi medido em cada situação. Para isso, utilizou-se o Symmetricom, um instrumento que lê diretamente os sinais de 100 MHz provenientes de cada laser e calcula o ruído de fase relativo entre eles em função da frequência, fornecendo o gráfico da Figura 71. Nela, uma comparação entre os ruídos de fase obtidos com dois espelhos é realizada. Nota-se claramente que a implementação do espelho menor constituiu uma melhora significativa, em especial para frequências acima de 1 kHz.
Figura 71: Espectros de ruído de fase adquiridos com os lasers travados, com dois espelhos de diâmetros diferentes fixados no PZT: 2,54 e 1,27 cm.
6.1.4.2. Moduladores eletro-ópticos de Mach-Zehnder
Com as taxas de repetição devidamente travadas, o próximo passo é implementar o módulo capaz de realizar o pulse picking. Sendo lasers de fibra óptica, uma forma compacta e simples é utilizar um interferômetro de Mach-Zehnder em guia de onda. A entrada e a saída destes dispositivos podem ser diretamente acopladas às fibras, e eles também tem como vantagem o fato de operarem com voltagens muito inferiores aos moduladores de espaço livre. Por essas razões, têm sido usados em espectroscopia de pentes de frequência [111].
Na Figura 72 é apresentado um diagrama esquemático do interferômetro de Mach- Zehnder em guia de onda. O feixe de entrada é dividido em duas partes. Uma delas (abaixo) se propaga sem obstáculos até a saída. O outro (acima) sofre um atraso e, por isso, atinge a saída com um deslocamento de fase em relação ao primeiro feixe. Alterando essa fase entre 0 e π, a intensidade da saída pode ser sintonizada, de acordo com a extensão da interferência construtiva ou destrutiva. A fase é controlada por meio da aplicação de um campo elétrico no cristal que constitui o guia de onda (em geral, LiNbO3). Como o cristal adquire
birrefringência em função da amplitude do campo aplicado, um feixe inserido com uma dada polarização sairá com atraso em relação à fase original.
Figura 72: Diagrama de um interferômetro de Mach-Zehnder em gia de onda, confeccionada para atuar como modulador de intensidade de um laser.
Se somente uma voltagem DC for aplicada a um laser pulsado em ML, o sinal de saída pode ser atenuado continuamente, mas nenhuma modulação será observada. Se for aplicado um sinal de RF referenciado à taxa de repetição do laser, o processo descrito na Figura 65 (seção 6.1.1) pode ser implementado.
6.1.4.3. Amplificadores de fibra dopada com Yb (Ytterbium-doped fiber amplifiers – YDFAs)
Uma vez que o pulse picking descarta uma quantidade de pulsos proporcional à frequência de modulação, a potência média do laser é reduzida. Logo, é necessário amplificar a saída do modulador de modo a recuperar a potência necessária para excitar a PCA e gerar radiação THz mensurável. Para lasers de fibra, a forma mais simples e compacta de fazer essa amplificação é empregando um amplificador de fibra dopada com Yb (Ytterbium-doped fiber
amplifier – YDFA).
Na Figura 73 é exibido o diagrama do YDFA construído neste trabalho. O princípio de funcionamento deste dispositivo é amplificar um sinal pequeno de um laser pulsado, por meio do bombeio (laser de diodo centrado em 975 nm) de um pedaço de fibra óptica dopada com Yb. O comprimento da fibra, a concentração de Yb dopado e a potência de bombeio, são parâmetros que devem ser otimizados para assegurar a predominância de emissão estimulada ao invés da espontânea [112]. A fibra deve ser comprida o suficiente para evitar que radiação de bombeio vaze para a saída, mas curta o suficiente para que não corra autoabsorção. Um divisor de comprimento de onda multiplexado (wavelength division multiplexer – WDM) é empregado também para garantir que a luz proveniente do laser de Yb não atinja o diodo de bombeio.
Figura 73: Diagrama do YDFA construído