Los investigadores de Graphene Flagship han desarrollado un láser de fibra óptica que emite pulsos con duraciones equivalentes a unas pocas longitudes de onda de la luz utilizada. Este dispositivo más rápido basado en grafeno será ideal para usar en espectroscopía ultrarrápida y en láseres quirúrgicos que evitan el calordaño al tejido vivo
ultrarrápido y ultracorto
Las aplicaciones fotónicas avanzadas como la espectroscopía de alta velocidad requieren pulsos ultracortos para capturar fenómenos físicos transitorios en los materiales estudiados. En la práctica, eso significa pulsos láser en el femtosegundo 10 -15Rango de s.Un ejemplo de tal aplicación es la espectroscopía de bomba-sonda de procesos de relajación fotoquímica.
"Cuando se diseña la luz para viajar en pulsos ultracortos, es importante comprender su naturaleza ondulatoria", dice Daniel Popa, jefe del grupo de fotónica del Cambridge Graphene Center y líder de su proyecto de investigación láser basado en grafeno ".luz para propagarse como lo hace una onda mecánica en un cable estirado, el pulso más corto posible se define por una sola oscilación de onda ".
La resolución de tiempo está limitada por la longitud del pulso láser utilizado. Cuanto más corto es el pulso, mayor es la resolución espectroscópica, con la resolución más alta posible definida por la duración del ciclo de la frecuencia de luz particular empleada. En el infrarrojo visible y cercanoregímenes, en los que funcionan la mayoría de los láseres ultrarrápidos, la duración máxima del pulso se encuentra entre 2 y 5 femtosegundos. Los pulsos más cortos requieren longitudes de onda más cortas.
Dejando a un lado los límites teóricos, se pueden generar pulsos tan cortos como dos ciclos a partir de cavidades láser utilizando una técnica conocida como bloqueo de modo pasivo. Con láseres de zafiro de titanio, comunes en laboratorios de fotónica de todo el mundo, se pueden producir pulsos de 5 femtosegundos de longituda una longitud de onda de 800 nanómetros, correspondiente a menos de dos ciclos. Sin embargo, estos pulsos no se pueden sintonizar. Se pueden lograr pulsos sintonizables de pocos ciclos explotando los efectos no lineales en los amplificadores paramétricos ópticos, pero las disposiciones prácticas tienden a ser complejas y costosas.
Los láseres de fibra son plataformas atractivas para la generación de pulso ultracorto, debido a sus diseños simples, compactos y rentables, su eficiente disipación de calor y una operación sin alineación que no requiere configuraciones ópticas voluminosas. Con osciladores basados en fibra, ultracortolos pulsos pueden generarse mediante el bloqueo pasivo de modo, que requiere un componente no lineal conocido como absorbente saturable. El grafeno tiene las propiedades físicas ideales para hacer un absorbente tan saturable.
Un láser de fibra basada en grafeno para pulsos de luz de pocos ciclos
Los láseres de modo bloqueado basados en grafeno se han demostrado antes, pero es el uso de este novedoso material bidimensional en una configuración compacta de fibra que marca el trabajo de Popa y sus colegas. Su avance se describe en unartículo publicado recientemente en la revista Applied Physics Letters, cuyo primer autor es el estudiante de doctorado David Purdie.
Con los láseres de fibra, los pulsos de femtosegundos generalmente se generan a través del bloqueo de modo de solitón. Un solitón es una onda solitaria autorreforzada que mantiene su forma sin distorsión mientras viaja a velocidad constante a lo largo de una guía de onda como una fibra óptica. Los solitones son losresultado de efectos dispersivos y no lineales que se cancelan entre sí en el medio de la guía de ondas, permitiendo así que se propague una envolvente de pulso estable.
Los formatos de todas las fibras son preferibles en términos de costo, compacidad y robustez, y la estrategia aquí es utilizar una cavidad basada en segmentos alternos de fibras de dispersión positivas y negativas que conduzcan a la ampliación y compresión periódicas de los pulsos.
La clave es extraer el pulso de dicha cavidad cuando su duración es mínima, y la potencia máxima, por lo tanto, máxima. Debido a la alta potencia máxima del pulso extraído, se pueden generar nuevos componentes de frecuencia a través de efectos ópticos no linealesdentro de una longitud externa de fibra, y estos son críticos cuando se trata de disminuir aún más la longitud del pulso. Esto se basa en la relación matemática en ondas entre los dominios de frecuencia y tiempo conocidos como transformada de Fourier. Para realizar esta transformación en forma física, ellos investigadores diseñaron una línea de retardo dispersivo que pliega los componentes de frecuencia recién creados en un solo pulso.
La configuración de los investigadores de Graphene Flagship se basó solo en equipos de telecomunicaciones estándar, con un absorbedor saturable basado en un compuesto de grafeno y alcohol polivinílico PVA fabricado mediante procesamiento de solución de bajo costo, con los copos de grafeno exfoliados de grafito a granel por ultrasonidosagitación de la solución. La evaporación deja un compuesto de grafeno-PVA de 50 micras de espesor, que luego se intercala entre los conectores de fibra.
Con esta configuración, Purdie y sus colegas pudieron generar pulsos de 29 femtosegundos, lo que corresponde a menos de seis ciclos a una longitud de onda de 1,5 micras.
La compensación de los efectos no lineales y dispersivos de orden superior debería conducir a una longitud de pulso más corta, y el uso de un diodo de mayor potencia, o una configuración de doble bombeo, podría dar como resultado pulsos de mayor ancho de banda así como una mayor potencia de salida. Finalmente,La adición de fibras de cristal fotónico podría, en principio, permitir la generación de pulsos láser igualmente cortos en otras longitudes de onda.
"Lo que es realmente notable de este proyecto es la facilidad de combinar grafeno con fibras ópticas estándar en un formato altamente compacto", dice Popa. "De esta manera, podemos generar pulsos de luz que duran solo unos pocosciclos, o algunas millonésimas de billonésima de segundo "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por buque insignia de grafeno . Original escrito por Francis Sedgemore. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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