Los investigadores han desarrollado un láser compacto que emite luz con una pureza espectral extrema que no cambia en respuesta a las condiciones ambientales. El nuevo láser potencialmente portátil podría beneficiar a una gran cantidad de aplicaciones científicas, mejorar los relojes de los sistemas de posicionamiento global (GPS), avanzar en la detección de ondas gravitacionales en el espacio y ser útil para la computación cuántica.

Investigadores del Laboratorio Lincoln del Instituto de Tecnología de Massachusetts, EE.UU. describe su nuevo láser en Optica , Revista de la Optical Society para investigaciones de alto impacto.

Incluso si un láser está diseñado para emitir únicamente en una longitud de onda, los cambios de temperatura y otros factores ambientales a menudo introducen ruido que hace que la emisión de luz cambie o se amplíe en frecuencia. La extensión espectral ampliada de esta emisión se conoce como ancho de línea láser. Los investigadores utilizaron un nuevo enfoque para crear un láser de fibra óptica con un ancho de línea espectral más estrecho que nunca logrado por un láser de fibra o semiconductor. El mismo láser también proporciona un método para detectar y corregir cambios de temperatura tan pequeños como 85 nanoKelvin, o 85 mil millonésimas de grado.

"Hoy dia, Los láseres de cavidad de expansión ultrabaja (ULE) exhiben el ancho de línea más estrecho y el mayor rendimiento, pero son voluminosos y muy sensibles al ruido ambiental, "dijo William Loh, el primer autor del artículo. "Nuestro objetivo es reemplazar los láseres ULE por uno que pueda ser portátil y que no sea sensible al ruido ambiental".

Lograr un ancho de línea estrecho

Los investigadores desarrollaron un láser basado en un bucle corto (~ 2 metros) de fibra óptica configurado como resonador de anillo. Los láseres de fibra son compactos y resistentes y tienden a reaccionar con relativa lentitud a los cambios ambientales. Los investigadores combinaron las ventajas de la fibra con un efecto óptico no lineal conocido como dispersión de Brillouin para lograr un láser con un ancho de línea de solo 20 hercios. Para comparacion, otros láseres de fibra pueden alcanzar anchos de línea entre 1000 y 10, 000 hercios, y los láseres semiconductores estándar suelen tener un ancho de línea de alrededor de 1 millón de hercios.

Para hacer que el láser sea extremadamente estable frente a cambios ambientales a corto y largo plazo, los investigadores desarrollaron una forma de referenciar la señal láser contra sí misma para detectar cambios de temperatura. Su método es muy sensible en comparación con otros enfoques para medir la temperatura y permite el cálculo de una señal de corrección precisa que se puede utilizar para devolver el láser a la longitud de onda de emisión de la temperatura original.

"La temperatura es un factor importante que contribuye al ruido del láser, ", dijo Loh." Un láser de alta calidad no solo debe tener un ancho de línea de láser estrecho, sino también una forma de mantener esa emisión estable a largo plazo ".

Mejorando el GPS

Esta nueva fuente de luz podría usarse para mejorar una nueva generación de relojes atómicos ópticos utilizados para dispositivos con GPS. El GPS permite a los usuarios localizar su ubicación en la Tierra mediante la triangulación con las señales recibidas de una red de satélites que contienen relojes atómicos avanzados. Cada satélite proporciona una marca de tiempo, y el sistema calcula una ubicación basándose en las diferencias relativas entre esos momentos.

"Creemos que los relojes atómicos basados ​​en nuestro establo, Se podría utilizar un láser de ancho de línea estrecho para determinar con mayor precisión la hora de llegada de la señal, mejorar la precisión de la ubicación de los sistemas GPS actuales, "dijo Loh." El hecho de que nuestro láser sea compacto significa que podría usarse a bordo de satélites ".

El láser también podría ser beneficioso para interferómetros como los utilizados por el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser (LIGO) para detectar ondas gravitacionales provenientes de agujeros negros en colisión o estrellas en colapso. Los láseres ultraestables son necesarios para esta aplicación porque el ruido del láser evita que el interferómetro pueda detectar las perturbaciones muy pequeñas de una onda gravitacional.

"Se están realizando esfuerzos para utilizar láseres en el espacio para crear brazos de interferómetro más largos para la observación de ondas gravitacionales, "dijo Loh." Debido a su tamaño compacto y robustez, nuestro láser podría ser un candidato para la detección de ondas gravitacionales en el espacio ".

Los investigadores dicen que aunque su nuevo láser es robusto, Actualmente es un sistema de sobremesa apto para uso en laboratorio. Ahora están trabajando para desarrollar envases más pequeños para el láser e incorporarán componentes ópticos más pequeños para crear una versión portátil que podría ser tan pequeña como un teléfono inteligente.