Diseño de módulo de amplificación para gravímetro atómico compacto

Abstract

Los gravímetros miden la aceleración local del agravedad g y permiten detectar variaciones de masa[1, 2], con aplicaciones engeodesia[3], monitoreo de recursos hídricos[4], exploración de hidrocarburos[5, 6], navegación inercial[7], prediccióndesismos[8] y exploración arqueológica[9]. En otras palabras, cuantificar detalladamente g es una herramienta directa para sondear la estructura del subsuelo y monitorear procesos geofísicos y antropogénicos. Una unidad de uso común para referirse a g o variaciones de esta, y la cual se usa en este trabajo,es el μGal, con 1 μGal = 10−8 m/s2 ≈ 10−9 g Entre las distintas tecnologías, los gravímetros atómicos, basados en interferometría con átomos fríos, han emergido como algunos de los instrumentos más precisos para medir g [10, 11]. De forma intuitiva, el interferómetro separa y recombina las ondas de materia de los átomos mediante pulsos ópticos, y la fase acumulada entre las dos trayectorias es proporcional a g (véanse[1, 2] para revisiones generales).Con esta técnica se han reportado sensibilidades del orden de 2.2 μGal/√Hz [12], estabilidades de largo plazo de 0.05 μGal [13] y exactitudes absolutas de 3 μGal en instrumentos transportables[14]. A pesar de estos avances, la adopción en campo sigue condicionada por la complejidad, el volumen y los requerimientos de estabilidad del sistema láser que hace posible la manipulación coherente de los átomos. En un esquema compacto, es deseable generar las múltiples frecuencias ópticas a partir de un único láser semilla, reduciendo volumen y costo. Una arquitectura que habilita esto emplea un modulador electro-óptico (Electro-Optic Modulator, EOM)[15, 16] que crea bandas laterales: componentes espectrales equiespaciados en frecuencia alrededor de una frecuencia central. Sin embargo, aparecen componentes espectrales no deseadas que, si no se suprimen, introducen errores sistemáticos en la medición [17,18]. Para suprimir dichas componentes, una estrategia efectiva consiste en usar un filtro basado en un cristal birrefringente (por ejemplo, calcita) seguido de un divisor de haz polarizante (Polarizing BeamSplitter, PBS) [15, 19]. La birrefringencia induce un retardo de fase entre los componentes de polarización ordinario y extraordinario que depende de la frecuencia [20], y al proyectar el estado de polarización sobre el PBS se obtiene una atenuación selectiva espectralmente. En otros trabajos, la sintonización de la frecuencia central se ha realizado por control térmico del cristal [17], lo que conlleva tiempos de estabilización del orden de minutos. Alternativamente, en este trabajo adoptamos y demostramos la sintonización angular: al inclinar el cristal respecto al eje del haz se modifica la longitud óptica efectiva y se desplaza la respuesta del filtro. Este ajuste geométrico, implementable con actuadores piezoeléctricos, ofrece rapidez, simplicidad y buena compatibilidad con arquitecturas miniaturizadas. La miniaturización del sistema láser impone además retos mecánicos y de guíado de luz. El uso extensivo de fibras y acopladores favorece la compacidad y la robustez, perola eficiencia de acoplamiento entre colimadoreses sensible a desalineaciones angulares, por ejemplo, debidas a la flexión de las placas base que soportan los componentes. Por ello es clave caracterizar la tolerancia angular de estos acopladores y, a partir de ella, fijar el grosor mínimo de las placas para mantener las pérdidas ópticas bajo control. Finalmente, el módulo de amplificaciones otro pilar del sistema: apartir de un láser semilla de baja potencia se requiere alcanzar potencias ópticas totales del orden de 1 W [16, 21, 22]. Los amplificadores cónicos (Tapered Amplifiers, TA)ofrecen una solución compacta y potente, aunque plantean desafíos específicos: un haz de salida altamente astigmático que demanda corrección y colimación, y una disipación térmica significativa que exige un diseño cuidadoso para garantizar estabilidad. El objetivo general de esta tesis es contribuir al desarrollo de un sistema láser miniatu- rizado para gravimetría atómica mediante el diseño, caracterización e implementación de tres componentes clave: 1. un filtro de calcita con sintonización angular, 2. un estudio de tolerancia angular en acopladores de fibra para definir requisitos de rigidez mecánica, y 3. el diseño, fabricación y montaje de un módulo de amplificación compacto, robustoy térmicamente estable. El Capítulo3 presenta la caracterización experimental de la sintonización angular del filtro de calcita ; el Capítulo 4 determina la tolerancia angular de los acopladores de fibra y deriva el grosor necesario de las placas soporte; el Capítulo 5 describe el diseño integral del módulo de amplificación; y el Capítulo 6 documenta su fabricación, montaje y control térmico, junto con perspectivas de integración.