Para dominar el caos en potentes láseres semiconductores, que causa inestabilidades, los científicos han introducido otro tipo de caos.

Los láseres semiconductores de alta potencia se utilizan en el procesamiento de materiales, imagenología biomédica e investigación industrial, pero la luz emitida que producen se ve afectada por inestabilidades, haciéndolo incoherente.

Las inestabilidades en el láser son causadas por filamentos ópticos; estructuras ligeras que se mueven aleatoriamente y cambian con el tiempo, causando caos. Eliminar estas inestabilidades ha sido durante mucho tiempo un objetivo de la física, pero las estrategias anteriores para reducir los filamentos generalmente han implicado reducir la potencia del láser.

Esto significa que ya no se puede utilizar para muchas aplicaciones prácticas de alta potencia, como en el cine láser ultrabrillante 3-D o como elementos en sistemas láser extremadamente brillantes utilizados en reactores de fusión.

En lugar de, los investigadores tuvieron que elegir entre un láser semiconductor potente con una calidad de salida deficiente y un láser coherente pero mucho menos potente.

Ahora, un equipo de investigación del Imperial College London, Universidad de Yale, La Universidad Tecnológica de Nanyang y la Universidad de Cardiff han ideado una nueva solución.

Su técnica, publicado hoy en Ciencias , utiliza 'caos cuántico' para evitar los filamentos láser, que conducen a las inestabilidades, de formarse en primer lugar. Al crear un caos cuántico (de ondas) en la cavidad utilizada para crear el láser, el láser en sí permanece estable.

Profesor Ortwin Hess, del Departamento de Física de Imperial, contribuyó gran parte de la teoría, simulación e interpretación del nuevo sistema. Dijo:"La forma en que los filamentos ópticos, que causan las inestabilidades del láser, El control de crecer y resistir es para el láser un poco como el comportamiento rebelde de los tornados. Una vez que se forman, se mueven caóticamente, causando destrucción a su paso.

"Sin embargo, Es más probable que los tornados se formen y se muevan sobre un terreno llano. Por ejemplo, en Estados Unidos se forman con frecuencia en la hermosa Oklahoma, pero no con tanta frecuencia en las colinas de Virginia Occidental. Las colinas parecen ser una diferencia clave:evitan que los tornados puedan formarse o moverse.

"Del mismo modo, creando un paisaje óptico 'montañoso' dentro de nuestros láseres utilizando el caos cuántico, no permitimos que los filamentos, nuestros tornados ópticos, se formen o crezcan sin control ".

El sistema láser, fabricado en la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur, ha sido probado experimentalmente en la Universidad de Yale. El equipo ahora está trabajando para explorar más y adaptar la emisión de luz, como mejorar la direccionalidad del láser.

Sin embargo, dicen que el avance ya debería permitir que los láseres semiconductores funcionen a mayor potencia con alta calidad de emisión. y que la misma idea podría aplicarse a otros tipos de láseres.

Los láseres emiten luz coherente que se puede enfocar en un haz estrecho. Para producir y amplificar la luz, rebota alrededor de una cavidad a través de materiales de ganancia especiales. Sin embargo, cuando se encienden láseres semiconductores grandes, este rebote de un lado a otro crea filamentos, secciones de la luz que rápidamente comienzan a actuar caóticamente.

Para crear un tipo diferente de caos, el paisaje caótico cuántico, el equipo diseñó una nueva forma de cavidad para el láser. La mayoría de las cavidades tienen forma cuboide, pero al usar una cavidad en forma de D, el equipo pudo inducir el caos cuántico en la luz que rebotaba.

Este caos cuántico actúa en una escala menor que la longitud de onda de la luz, creando las 'colinas' ópticas que ayudan a disipar los 'tornados' ópticos.

Profesor Hui Cao, de la Universidad de Yale, dijo:"Usamos cavidades de ondas caóticas o desordenadas para interrumpir la formación de estructuras autoorganizadas como filamentos que conducen a inestabilidades".

El equipo obtuvo información sobre los procesos y las formas de las cavidades que probablemente crearán este tipo de caos cuántico a partir de teorías y experimentos en nanofotónica y nanoplasmónica, estudiando la luz y los metales a escalas de mil millonésimas de metro.

El profesor Hess agregó:"He estado trabajando en dinámica espacio-temporal y cuántica en láseres desde mi doctorado, por lo que es gratificante volver a él ahora con los conocimientos adquiridos con la nanofotónica y la nanoplásmica.

"La relación también funciona al revés:con sistemas como este podemos ofrecer nuevos conocimientos sobre la nanofotónica y la nanoplásmica, y unir las comunidades de nanociencia y láser ".