Arquitectura compacta de un sistema láser para gravimetría atómica

Abstract

La manipulación de átomos mediante luz láser es una técnica que surgió a principios de la década de 1980, impulsada por los trabajos pioneros de Steven Chu [1,2], Claude Cohen-Tannoudji [3] y William D. Phillips [4]. Desde entonces, esta metodología ha experimentado un desarrollo continuo y se ha consolidado como una herramienta fundamental en la física moderna. En la actualidad, se emplea en una amplia variedad de experimentos que van desde pruebas de física fundamental y la búsqueda de nueva física [5–9], hasta aplicaciones en metrología de alta precisión y la redefinición de constantes fundamentales de la naturaleza [10,11].

La interferometría atómica como técnica para la medición de la aceleración de la gravedad tiene importantes aplicaciones en el ámbito de la geofísica, que abarcan desde la exploración subterránea [12] hasta el monitoreo de ondas sísmicas y actividad volcánica [13,14]. El uso de interferometría atómica para medir la aceleración de la gravedad con alta precisión se conoce como gravimetría atómica, y el dispositivo que integra todos los procesos necesarios para su implementación se denomina gravímetro.

La gravimetría atómica es una técnica inherentemente compleja, ya que requiere una gran cantidad de láseres, componentes ópticos y sistemas electrónicos, lo que dificulta su implementación en mediciones de campo. No obstante, el desarrollo continuo de estos dispositivos, junto con la incorporación de técnicas innovadoras, ha permitido avanzar hacia la construcción de gravímetros portátiles para aplicaciones fuera del laboratorio [15-19]. A pesar de estos avances, el uso de gravímetros atómicos en campo sigue siendo desafiante y, en algunos casos, tan limitado que se requiere incluso el uso de vehículos especializados para su transporte.

Adicionalmente, las mediciones de g se ven afectadas por diversos factores externos, como vibraciones mecánicas, fluctuaciones térmicas, campos magnéticos y otras fuentes de ruido ambiental [20]. Estas limitaciones constituyen una fuerte motivación para el desarrollo de equipos cada vez más compactos, robustos y de bajo costo, que faciliten su transporte y operación en condiciones reales de campo.

En este contexto, el trabajo presentado en esta tesis se enfoca en el diseño de un nuevo módulo láser significativamente más simple, que no solo elimina la necesidad de múltiples fuentes láser, sino también de componentes adicionales como moduladores acusto-ópticos, los cuales requieren fuentes de alimentación independientes y espacio adicional. Asimismo, se proponen mecanismos alternativos más eficientes y robustos que sustituyen a los utilizados en diseños previos, logrando una simplificación considerable del sistema láser en comparación con los enfoques actuales.