Un puntero láser multicolor que puede usar para cambiar el color del láser con un clic de botón, similar a un bolígrafo multicolor, está un paso más cerca de la realidad gracias a un nuevo material sintético diminuto fabricado en Sandia National Laboratories.

Un puntero láser llamativo puede ser divertido de imaginar, pero cambiar el color de un láser tiene muchos otros usos, desde descubrir sitios arqueológicos ocultos en bosques densos y detectar signos de vida extraterrestre en el aire hasta potencialmente acelerar y aumentar la capacidad de comunicación a larga distancia a través de redes de fibra óptica.

La investigación sobre el nuevo metamaterial de mezcla de luz se publicó en Comunicaciones de la naturaleza el día de hoy. El trabajo fue dirigido por el científico sénior de Sandia, Igal Brener, junto con colaboradores de la Universidad Friedrich Schiller de Jena. El documento informa cómo un metamaterial compuesto por una matriz de nanocilindros mezcló dos pulsos de láser de luz infrarroja cercana para producir 11 ondas de luz que varían en color desde el infrarrojo cercano, a través de los colores del arcoíris, a ultravioleta.

Un metamaterial es un material formado por pequeños estructuras repetitivas que interactúan con ondas electromagnéticas de formas en que los materiales convencionales no pueden hacerlo. Las estructuras son mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz para las que están diseñadas para manipular. Son algo similares a las estructuras naturales que dan a las alas de la mariposa morfo azul su espectacular iridiscencia. Las alas tienen escamas con pequeñas estructuras repetidas, que reflejan la luz para producir el color azul.

El metamaterial mezcla la luz para producir 11 nuevas longitudes de onda

Para este mezclador óptico, la matriz de nanocilindros está hecha de arseniuro de galio, un semiconductor utilizado en muchos tipos de electrónica. El arseniuro de galio se dobla, o refracta, luz intensamente, que es esencial para este tipo de metamaterial, —dijo Brener. Cada nanocilindro mide aproximadamente 500 nanómetros de alto, o 100 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano, con un diámetro de aproximadamente 400 nanómetros. Están dispuestos en un patrón cuadrado a unos 840 nanómetros de distancia entre sí.

Formas actuales de mezclar la luz, como los que se utilizan para los punteros láser verdes, use cristales especialmente diseñados para alinear perfectamente las ondas de luz para permitir la mezcla, —dijo Brener. A esto se le llama emparejamiento de fases. Debido a las reglas físicas, cada cristal solo puede igualar eficientemente las fases de un color de luz entrante para producir un color de luz diferente. El metamaterial de Sandia funciona de una manera completamente diferente.

En lugar de, el equipo seleccionó dos láseres de infrarrojo cercano con longitudes de onda sintonizadas con las frecuencias de resonancia del metamaterial, o las longitudes de onda que rebotan mejor dentro de los nanocilindros, dijo Polina Vabishchevich, un postdoctoral designado por Sandia y primer autor del artículo. La luz de estos dos láseres, llamémoslos frecuencias A y B, se mezclan para producir 11 colores a partir de diferentes productos de mezcla, incluidos A + A, A + B, B + B, A + A + B, y A + B + B, entre otros productos de mezcla complejos.

"Con este pequeño dispositivo y dos pulsos de láser pudimos generar 11 nuevos colores al mismo tiempo, que es tan genial, ", dijo Vabishchevich." No necesitamos cambiar los ángulos o las fases de juego ".

El metamezclador óptico tiene potencial para aplicaciones de investigación generalizadas

El metamaterial se hizo utilizando procesos tomados de la fabricación de dispositivos semiconductores. Esta fabricación se llevó a cabo en varias instalaciones de Sandia, incluida la ingeniería de microsistemas de Sandia, Ciencias, y Complejo de Aplicaciones y el Centro de Nanotecnologías Integradas, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía operada conjuntamente con el Laboratorio Nacional de Los Alamos.

"Si no tuviéramos acceso a la instrumentación que tenemos en Sandia, esta investigación hubiera sido imposible, ", dijo Brener." Sin el sistema láser de femtosegundos especializado de CINT, hubiera sido muy difícil realizar estas mediciones ". Un femtosegundo es una millonésima de una mil millonésima de segundo y los láseres de femtosegundo producen una luz potente.

Aunque la eficiencia de conversión del metamezclador óptico es muy baja, por ejemplo, la luz roja-naranja resultante es muy débil en comparación con la luz entrante, Brener cree que la eficiencia se puede mejorar enormemente con más trabajo. quizás apilando múltiples capas de metamaterial.

Muchos tipos diferentes de investigación química y biológica, desde el uso de microscopios especializados para estudiar cómo las enfermedades evaden el sistema inmunológico hasta el estudio de la química de la combustión para mejorar la eficiencia del vehículo, requieren luz en longitudes de onda específicas. Este metamezclador óptico podría convertir la luz de los láseres a una nueva longitud de onda donde un láser podría no estar disponible o permitir a los investigadores cambiar de una longitud de onda a otra sin tener que comprar un láser diferente. —dijo Brener.

Conmutable, láseres sintonizables también podrían ser útiles en biología, investigación química y atmosférica; Sensores remotos; comunicación basada en fibra óptica; incluso óptica cuántica.