Los físicos rusos han desarrollado un método para reducir drásticamente el espectro de emisión de un láser de diodo ordinario, así en un puntero láser. Esto hace que su dispositivo sea un reemplazo útil para los láseres de frecuencia única más complejos y costosos, permitiendo la creación de analizadores químicos compactos que pueden caber en teléfonos inteligentes, lidars baratos para coches autónomos, así como sistemas de vigilancia de seguridad y salud estructural en puentes, gasoductos y otros lugares. El estudio fue publicado el 26 de octubre en Fotónica de la naturaleza y fue coautor de investigadores del Russian Quantum Center (RQC), el Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MIPT), Universidad Estatal Lomonosov de Moscú (MSU), y el Instituto de Investigación y Desarrollo de Samsung en Rusia.

"Este trabajo tiene dos resultados principales, "dijo el autor principal del artículo, El director científico de RQC, Michael Gorodetsky, quien también es profesor de MSU. "Primero, sirve para demostrar que se puede fabricar un láser de ancho de línea estrecho y económico que sea de una sola frecuencia, pero altamente eficiente y compacto. En segundo lugar, el mismo sistema sin prácticamente modificaciones se puede utilizar para generar peines de frecuencia óptica. Por tanto, puede ser el componente central de un analizador químico espectroscópico ".

Las aplicaciones de los láseres son muchas. Entre ellos se encuentran la cirugía ocular con láser, miras láser y comunicación por fibra óptica. Uno de los usos clave de los láseres es la espectroscopia, que mide la composición química precisa de prácticamente cualquier cosa.

La llamada técnica de peine de frecuencia óptica subyace a la espectroscopia basada en láser, promovido por los premios Nobel de física 2005, John Hall de EE. UU. Y Theodor Hänsch de Alemania. Los dos desarrollaron un dispositivo láser que genera radiación óptica a 1 millón de frecuencias extremadamente estables. La radiación en el medio de ganancia de tales láseres "rebota" entre los espejos y finalmente se emite como un tren continuo de breves pulsos de luz de un millón de colores diferentes. Cada pulso dura solo femtosegundos, una millonésima de mil millonésima de segundo. El espectro de emisión de dicho láser consiste en un gran número de líneas espectrales estrechas espaciadas uniformemente, los "dientes" del peine óptico.

Se puede utilizar un peine de frecuencia de láser óptico como "regla" para medir con precisión la frecuencia de la luz y, por lo tanto, realizar mediciones espectrométricas precisas. Otras aplicaciones incluyen navegación por satélite, transferencia precisa de datos de tiempo, y el método de velocidad radial para detectar planetas extrasolares.

Los investigadores encontraron una forma más fácil de generar peines de frecuencia, que se basa en microrresonadores ópticos. Estos son componentes transparentes en forma de anillo o disco. En virtud de la no linealidad de su material, transforman la radiación láser de la bomba en un peine de frecuencia, también conocido como microcombustible.

"Los microrresonadores ópticos con modos de galería susurrante se propusieron por primera vez en la Facultad de Física de MSU en 1989. Ofrecen una combinación única de tamaño submilimétrico y un factor de calidad inmensamente alto, "explicó el coautor del estudio, Nikolay Pavlov, estudiante de doctorado del MIPT. "Los microrresonadores abren el camino a la generación de peines ópticos en un espacio compacto y sin consumir mucha energía".

No se puede utilizar cualquier láser para bombear peines de frecuencia óptica en un microrresonador. El láser debe ser potente y monocromático. Esto último significa que la luz que emite tiene que caer en una banda de frecuencia muy estrecha. Los láseres más comunes en la actualidad son los láseres de diodo. Aunque son compactos y convenientes, en espectroscopia, no alcanzan dispositivos más complejos y costosos. La razón es que los láseres de diodo no son lo suficientemente monocromáticos:la radiación que emiten se "difumina" en una banda de 10 nanómetros.

"Para reducir el ancho de línea de un láser de diodo, Suele estabilizarse mediante un resonador externo o una rejilla de difracción, "explicó Gorodetsky." Esto reduce el ancho de línea, pero el costo es una disminución importante en el poder, y el dispositivo ya no es barato, ni es compacto ".

Los investigadores encontraron una solución simple y elegante al problema. Para hacer que la luz láser sea más monocromática, utilizaron los mismos microrresonadores que generan peines de frecuencia óptica. De esa manera lograron retener casi la misma potencia y tamaño de láser (el microrresonador tiene apenas milímetros de ancho) al mismo tiempo que aumentaron la monocromaticidad en un factor de casi mil millones. Es decir, la banda de transmisión se reduce a attómetros (mil millonésimas de mil millonésimas de metro) y se genera un peine de frecuencia óptica, si es requerido.

"A partir de ahora, Los láseres de diodo compactos y económicos están disponibles para casi todo el espectro óptico, "añadió Pavlov." Sin embargo, su ancho de línea natural y su estabilidad son insuficientes para muchas tareas futuras. En este papel, mostramos que es posible reducir de forma eficaz el amplio espectro de potentes láseres de diodo multifrecuencia, casi sin costo de energía. La técnica que empleamos implica el uso de un microrresonador como resonador externo para bloquear la frecuencia del diodo láser. En este sistema, el microrresonador puede reducir el ancho de línea y generar el peine de frecuencia óptica ".

El diseño propuesto tiene muchas aplicaciones posibles. Uno de ellos es en telecomunicaciones, donde mejoraría considerablemente el ancho de banda de las redes de fibra óptica aumentando el número de canales. Otro ámbito que se beneficiaría es el diseño de sensores, como los reflectómetros utilizados como base de los sistemas de vigilancia y seguridad. Por ejemplo, si un cable de fibra óptica corre a lo largo de un puente o un oleoducto, la luz en el cable responderá a las más mínimas perturbaciones o variaciones en la geometría del objeto, señalando problemas potenciales.

Los láseres de frecuencia única se pueden utilizar en lidars, o radares ópticos, que se instalan en vehículos autónomos, entre otros usos. Finalmente, la tecnología permite analizadores de alta precisión, como los que miden la composición del aire o realizan diagnósticos médicos, que podría integrarse en teléfonos inteligentes o relojes.

"La demanda de este tipo de láseres sería realmente alta, "dijo Gorodetsky.

El físico también señaló que todos los autores del artículo son investigadores rusos, que es una ocasión bastante rara para las publicaciones en una revista de tan alto rango.