Los investigadores han desarrollado un nuevo método para crear láseres compactos de modo bloqueado en chips fotónicos, utilizando niobato de litio para el bloqueo de modo activo. Esta tecnología promete llevar los experimentos con láser ultrarrápidos a gran escala a un formato a escala de chip, con planes para reducir aún más la duración de los pulsos y aumentar las potencias máximas.
Caltech ha innovado en un método para crear láseres compactos e integrados con modo bloqueado en chips fotónicos, transformando potencialmente aplicaciones de láser ultrarrápidos a escalas más pequeñas con un rendimiento mejorado.
Los láseres se han vuelto relativamente comunes en la vida cotidiana, pero tienen muchos usos más allá de proporcionar espectáculos de luces en raves y leer códigos de barras en los alimentos. Los láseres también son de gran importancia en las telecomunicaciones y la informática, así como en la investigación en biología, química y física.
El valor de los pulsos láser ultracortos.
En estas últimas aplicaciones, los láseres que pueden emitir pulsos extremadamente cortos, del orden de una billonésima de segundo (un picosegundo) o menos, son especialmente útiles. Utilizando láseres que funcionan en escalas de tiempo tan pequeñas, los investigadores pueden estudiar fenómenos físicos y químicos que ocurren extremadamente rápido, por ejemplo, la formación o ruptura de enlaces moleculares en una reacción química o el movimiento de electrones dentro de los materiales. Estos pulsos ultracortos también se utilizan ampliamente para aplicaciones de imágenes porque pueden tener intensidades máximas extremadamente grandes pero una potencia promedio baja, lo que evita el calentamiento o incluso la quema de muestras como el tejido biológico.
Avances en la tecnología láser.
En un artículo publicado en la revista Science, Alireza Marandi, profesor asistente de ingeniería eléctrica y física aplicada de Caltech, describe un nuevo método desarrollado por su laboratorio para fabricar este tipo de láser, conocido como láser de modo bloqueado, en un chip fotónico. . Los láseres están fabricados con componentes a nanoescala (un nanómetro equivale a una milmillonésima parte de un metro), lo que les permite integrarse en circuitos basados en luz, similares a los circuitos integrados basados en electricidad que se encuentran en la electrónica moderna.
Un láser nanofotónico de modo bloqueado construido a partir de niobato de litio emite un rayo de luz láser verde. Crédito: Caltech
«No sólo estamos interesados en hacer que los láseres de modo bloqueado sean más compactos», afirma Marandi. “Estamos entusiasmados de crear un láser de modo bloqueado de buen rendimiento en un chip nanofotónico y combinarlo con otros componentes. Ahí es donde podemos construir un sistema fotónico ultrarrápido completo en un circuito integrado. Esto llevará la riqueza de la ciencia y la tecnología ultrarrápidas, actualmente pertenecientes a experimentos a escala de un metro, a chips de escala milimétrica”.
Láseres ultrarrápidos y reconocimiento del Premio Nobel
Los láseres ultrarrápidos de este tipo son tan importantes para la investigación que el Premio Nobel de Física de este año fue otorgado a un trío de científicos por desarrollar láseres que producen pulsos de attosegundos (un attosegundo es una quintillón de segundo). Estos láseres, sin embargo, son actualmente extremadamente caros y voluminosos, afirma Marandi, quien señala que su investigación está explorando métodos para lograr escalas de tiempo en chips que puedan ser mucho más baratos y más pequeños, con el objetivo de desarrollar tecnologías fotónicas ultrarrápidas asequibles e implementables. .
«Estos experimentos de attosegundos se realizan casi exclusivamente con láseres ultrarrápidos de modo bloqueado», afirma. “Y algunos de ellos pueden costar hasta 10 millones de dólares, y gran parte de ese coste corresponde al láser de modo bloqueado. Estamos muy emocionados de pensar en cómo podemos replicar estos experimentos y funcionalidades en nanofotónica”.
Innovador láser nanofotónico con modo bloqueado
En el corazón del láser nanofotónico de modo bloqueado desarrollado por el laboratorio de Marandi se encuentra el niobato de litio, una sal sintética con propiedades ópticas y eléctricas únicas que, en este caso, permite controlar y dar forma a los pulsos láser mediante la aplicación de una radio externa. Señal eléctrica de frecuencia. Este enfoque se conoce como bloqueo de modo activo con modulación de fase intracavitaria.
«Hace unos 50 años, los investigadores utilizaron la modulación de fase intracavitaria en experimentos de mesa para crear láseres de modo bloqueado y decidieron que no encajaba muy bien en comparación con otras técnicas», dice Qiushi Guo, primer autor del artículo y ex becario postdoctoral. en el laboratorio de Marandi. «Pero descubrimos que encajaba perfectamente con nuestra plataforma integrada».
“Además de su tamaño compacto, nuestro láser también presenta una serie de propiedades interesantes. Por ejemplo, podemos ajustar con precisión la frecuencia de repetición de los pulsos de salida en un amplio rango. Podemos aprovechar esto para desarrollar fuentes de peine de frecuencia estabilizadas a escala de chip, que son vitales para la metrología de frecuencia y la detección de precisión”, añade Guo, que ahora es profesor asistente en el Centro de Investigación Científica Avanzada de la Universidad de la Ciudad de Nueva York.
Metas futuras e impacto de la investigación
Marandi dice que tiene intención de seguir mejorando esta tecnología para que pueda funcionar en escalas de tiempo aún más cortas y potencias máximas más altas, con un objetivo de 50 femtosegundos (un femtosegundo es una billonésima de segundo), lo que supondría una mejora de 100 veces en comparación con a su dispositivo actual, que genera pulsos de 4,8 picosegundos de duración.
El artículo que describe la investigación se titula “Láser de modo bloqueado ultrarrápido en niobita de litio nanofotónica” y aparece en la edición del 9 de noviembre de Science.
Referencia: “Láser bloqueado en modo ultrarrápido en niobato de litio nanofotónico” por Qiushi Guo, Benjamin K. Gutierrez, Ryoto Sekine, Robert M. Gray, James A. Williams, Luis Ledezma, Luis Costa, Arkadev Roy, Selina Zhou, Mingchen Liu y Alireza Marandi, 9 de noviembre de 2023, Ciencia.
DOI: 10.1126/ciencia.adj5438
Los coautores son Benjamín K. Gutiérrez (MS ’23), estudiante de posgrado en física aplicada; los estudiantes graduados en ingeniería eléctrica Ryoto Sekine (MS ’22), Robert M. Gray (MS ’22), James A. Williams, Selina Zhou (BS ’22) y Mingchen Liu; Luis Ledezma (PhD ’23), afiliado externo en ingeniería eléctrica; Luis Costa, anteriormente en Caltech y ahora en JPL, que Caltech administra para la NASA; y Arkadev Roy (MS ’23, PhD ’23), anteriormente en Caltech y ahora en UC Berkeley.
La financiación para la investigación provino de la Oficina de Investigación del Ejército, la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.
