Un grupo de científicos de TU Wien y ETH Zurich han tenido éxito en sus intentos de generar pulsos de luz ultracortos de terahercios. Con longitudes de solo unos pocos picosegundos, Estos pulsos son ideales para aplicaciones espectroscópicas y permiten tomar medidas de frecuencia extremadamente precisas.

Las propiedades únicas de la radiación de terahercios significan que es de interés para una amplia gama de aplicaciones potenciales, incluidas las imágenes médicas no invasivas y la detección de sustancias peligrosas. Las ondas de terahercios pueden penetrar muchos materiales que son opacos a la luz visible y, a diferencia de la radiación X, no representan un riesgo de daño al tejido biológico. Además de esto, muchas sustancias tienen una huella molecular en el rango de terahercios, permitiendo su detección mediante métodos espectroscópicos. Una forma eficiente de generar estas ondas de terahercios es utilizando láseres de cascada cuántica, que un grupo de trabajo dirigido por el profesor Karl Unterrainer en el Instituto de Fotónica de TU Wien ha estado investigando y desarrollando. Los láseres de cascada cuántica consisten en una secuencia definida con precisión de varios cientos de capas de semiconductores que miden solo unos pocos nanómetros de espesor. Esta construcción especial significa que existe la libertad de seleccionar el estado de energía exacto en el que los electrones permanecen dentro de la estructura del semiconductor. Esto permite ajustar la frecuencia de la luz láser emitida para adaptarse a la aplicación en cuestión.

Creación de un peine de frecuencia con un 'sándwich láser' de banda ancha

Con esta característica especial de poder determinar las propias longitudes de onda del láser, varias estructuras de cascada cuántica con diferentes frecuencias de emisión se pueden apilar una encima de la otra, con el objetivo de generar radiación de banda ancha en terahercios. "Las zonas activas heterogéneas de este tipo son ideales para implementar amplificadores de terahercios de banda ancha y generar pulsos de terahercios ultracortos, "explica Dominic Bachmann del Photonics Institute. Además, si las líneas láser discretas están unidas entre sí para establecer una relación de fase fija entre los modos láser, Se creará algo conocido como "peine de frecuencia". Los peines de frecuencia permiten tomar medidas extremadamente precisas de la frecuencia absoluta de la luz que se utiliza, que es esencial para una gran cantidad de aplicaciones. El descubrimiento del peine de frecuencia revolucionó más o menos la metrología óptica y fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 2005. Durante los últimos cuatro años, Los investigadores han estado trabajando duro para generar un peine de frecuencia de terahercios utilizando un láser de cascada cuántica como parte del proyecto de la UE TERACOMB. Dirigido por el Dr. Juraj Darmo del Photonics Institute, El equipo de grupos de investigación internacionales ha logrado generar el primer peine de frecuencia de terahercios de banda ancha basado en tecnología de semiconductores.

Ver láseres en el trabajo

Un método desarrollado por el grupo dirigido por el profesor Unterrainer permite analizar los parámetros internos del láser en cascada cuántica durante la operación del láser. Esta técnica se basa en la espectroscopia de resolución temporal, con pulsos de terahercios de banda ancha que penetran en la muestra que se va a medir. Basado en láseres de femtosegundos, esta tecnología se puede utilizar para recopilar todo el contenido de información relacionado con el intervalo de tiempo y frecuencia con una sola medición. Como resultado, los científicos del Instituto de Fotónica han logrado cuantificar los coeficientes de ganancia óptica, así como la dispersión óptica en láseres de cascada cuántica de terahercios de banda ancha, mejorando su comprensión de las complejas dinámicas en juego. "Estos hallazgos nos permiten aumentar aún más el ancho de banda del láser y mejorar la eficiencia de los peines de frecuencia, "explica Juraj Darmo.

Apuntando a las pérdidas

Un problema no resuelto con los láseres de cascada cuántica de terahercios había sido la existencia de líneas láser con diferentes velocidades de propagación. Si hay modos láser con un orden lateral superior, la intensidad se distribuye de forma muy desigual entre las líneas láser, reduciendo así el ancho de banda utilizable y evitando la generación de un peine de frecuencia. Para evitar que estos modos oscilen, las pérdidas deben incrementarse hasta tal punto que no alcancen el umbral del láser. Al agregar un absorbente lateral personalizado a los bordes del resonador láser, los investigadores lograron suprimir por completo los modos laterales superiores, sin tener ningún impacto relevante en los modos fundamentales. El resultado fue un ancho de banda de emisión que cubría una octava completa, distribución de modo muy uniforme en el medio a 700 GHz, y un peine de frecuencia con un ancho de banda de 440 GHz. Y lo que es más, los absorbedores laterales permiten la generación de pulsos de terahercios ultracortos con anchos de pulso de menos de 3 ps, lo que representa un nuevo récord mundial de pulsos de terahercios generados utilizando un láser de cascada cuántica. "Fue realmente sorprendente ver cómo un ajuste relativamente menor de la guía de ondas podía producir una mejora tan espectacular, "explica Dominic Bachmann, que acaba de terminar de escribir su disertación sobre láseres de cascada cuántica de banda ancha.