Láseres de estado sólido ordinarios, como se usa en punteros láser, generar luz en el rango visible. Para muchas aplicaciones, sin embargo, como la detección de moléculas, Se necesita radiación en el rango del infrarrojo medio. Tales láseres infrarrojos son mucho más difíciles de fabricar, especialmente si la radiación láser se requiere en forma de rayos extremadamente cortos, pulsos intensos.

Por mucho tiempo, Los científicos han estado buscando métodos sencillos para producir este tipo de pulsos de láser infrarrojo. En la TU Wien, esto ya se ha logrado. en cooperación con la Universidad de Harvard. La nueva tecnología no requiere grandes configuraciones experimentales; se puede miniaturizar fácilmente y, por lo tanto, es particularmente interesante para aplicaciones prácticas. Los nuevos resultados ahora se han presentado en la revista. Comunicaciones de la naturaleza .

El peine de frecuencia

"Generamos luz láser en el rango del infrarrojo medio con láseres de cascada cuántica hechos a medida fabricados en el ultramoderno Nano-Center de TU Wien, "dice Johannes Hillbrand del Instituto de Electrónica de Estado Sólido de la TU de Viena, primer autor del estudio. Mientras que en los láseres de estado sólido ordinarios, el tipo de luz emitida depende de los átomos del material, en los láseres de cascada cuántica, las estructuras diminutas en el rango de los nanómetros son cruciales. Al diseñar estas estructuras de manera adecuada, la longitud de onda de la luz se puede ajustar con precisión.

"Nuestros láseres de cascada cuántica no solo ofrecen un solo color de luz, pero toda una gama de frecuencias diferentes, "dice Ass.prof. Benedikt Schwarz, quien dirigió el trabajo de investigación en su proyecto financiado con una beca ERC. "Estas frecuencias se organizan con mucha regularidad, siempre con la misma distancia de por medio, como los dientes de un peine. Por lo tanto, tal espectro se llama peine de frecuencia ".

La luz es como un péndulo

Sin embargo, No son solo las frecuencias emitidas por tal láser de cascada cuántica las que son decisivas, pero también la fase con la que oscilan las respectivas ondas de luz. "Puedes comparar esto con dos péndulos conectados por una banda elástica, "explica Johannes Hillbrand." Pueden oscilar hacia adelante y hacia atrás, exactamente en paralelo, u opuestos uno al otro, de modo que se balanceen uno hacia el otro o se alejen el uno del otro. Y estos dos modos de vibración tienen frecuencias ligeramente diferentes ".

Es bastante similar con la luz láser, que se compone de diferentes longitudes de onda:las ondas de luz individuales del peine de frecuencia pueden oscilar exactamente en sincronía; luego se superponen entre sí de una manera óptima y pueden generar ondas cortas, pulsos de láser intensos. O puede haber un cambio entre sus oscilaciones, en cuyo caso no se crean pulsos, pero luz láser con una intensidad casi continua.

El modulador de luz

"En los láseres de cascada cuántica, anteriormente ha sido difícil alternar entre estas dos variantes, "dice Johannes Hillbrand". Sin embargo, hemos construido un pequeño modulador en nuestro láser de cascada cuántica, por donde pasan las ondas de luz una y otra vez. "Se aplica un voltaje eléctrico alterno a este modulador. Dependiendo de la frecuencia y la fuerza del voltaje, Se pueden excitar diferentes oscilaciones de luz en el láser.

"Si maneja este modulador exactamente a la frecuencia correcta, puede lograr que las diferentes frecuencias de nuestro peine de frecuencia oscilen exactamente en sincronía, "dice Benedikt Schwarz." Esto hace posible combinar estas frecuencias en breves, intensos pulsos de láser, más de 12 mil millones de veces por segundo ".

Este nivel de control sobre pulsos de láser infrarrojos cortos no era posible anteriormente con láseres semiconductores. En el mejor de los casos, los tipos de luz similares solo podrían generarse utilizando métodos muy costosos y con pérdidas. "Nuestra tecnología tiene la ventaja decisiva de que se puede miniaturizar, "enfatiza Benedikt Schwarz." Se podría usar para construir instrumentos de medición compactos que usan estos rayos láser especiales para buscar moléculas muy específicas en una muestra de gas, por ejemplo. Gracias a la alta intensidad de luz de los pulsos láser, también son posibles mediciones que requieren dos fotones al mismo tiempo.