Los investigadores de Graphene Flagship han desarrollado un láser de fibra óptica que emite pulsos con duraciones equivalentes a unas pocas longitudes de onda de la luz utilizada. Este dispositivo más rápido hasta la fecha basado en grafeno será ideal para su uso en espectroscopia ultrarrápida, y en láseres quirúrgicos que evitan el daño por calor a los tejidos vivos.

Ultrarrápido y ultracorto

Las aplicaciones fotónicas avanzadas, como la espectroscopia de alta velocidad, requieren pulsos ultracortos para capturar fenómenos físicos transitorios en los materiales estudiados. En la práctica, eso significa pulsos de láser en el rango de femtosegundos (10-15 s). Un ejemplo de tal aplicación es la espectroscopia de bomba-sonda de procesos de relajación fotoquímica.

"Cuando se diseña la luz para que viaje en pulsos ultracortos, es importante comprender su naturaleza ondulatoria, "dice Daniel Popa, jefe del grupo de fotónica en el Cambridge Graphene Centre, y líder de su proyecto de investigación láser basado en grafeno. "Para que la luz se propague como lo hace una onda mecánica en un cable estirado, el pulso más corto posible se define por una sola oscilación de onda ".

La resolución temporal está limitada por la duración del pulso láser utilizado. Cuanto más corto es el pulso, cuanto mayor sea la resolución espectroscópica, con la resolución más alta posible definida por la duración del ciclo de la frecuencia de luz particular empleada. En los regímenes visible e infrarrojo cercano, en el que operan la mayoría de los láseres ultrarrápidos, la duración máxima del pulso se encuentra entre 2 y 5 femtosegundos. Los pulsos más cortos requieren longitudes de onda más cortas.

Dejando a un lado los límites teóricos, Se pueden generar pulsos tan cortos como dos ciclos a partir de cavidades láser utilizando una técnica conocida como bloqueo de modo pasivo. Con láseres de titanio y zafiro, común en los laboratorios de fotónica de todo el mundo, se pueden producir pulsos de 5 femtosegundos de longitud a una longitud de onda de 800 nanómetros, correspondiente a menos de dos ciclos. Estos pulsos no se pueden sintonizar, sin embargo. Se pueden lograr pulsos sintonizables de pocos ciclos explotando efectos no lineales en amplificadores paramétricos ópticos, pero los arreglos prácticos tienden a ser complejos y costosos.

Los láseres de fibra son plataformas atractivas para la generación de pulsos ultracortos, debido a su sencillez, diseños compactos y rentables, su eficiente disipación de calor, y una operación sin alineación que no requiere configuraciones ópticas voluminosas. Con osciladores de fibra, se pueden generar pulsos ultracortos mediante bloqueo de modo pasivo, que requiere un componente no lineal conocido como absorbente saturable. El grafeno tiene las propiedades físicas ideales para hacer un absorbente tan saturable.

Un láser de fibra totalmente basado en grafeno para pulsos de luz de pocos ciclos

Los láseres de modo bloqueado basados ​​en grafeno se han demostrado antes, pero es el uso de este novedoso material bidimensional en un compacto, configuración totalmente de fibra que marca el trabajo de Popa y sus colegas. Su avance se describe en un artículo publicado recientemente en la revista Letras de física aplicada , cuyo primer autor es el estudiante de doctorado David Purdie.

Con láseres de fibra, Los pulsos de femtosegundos se generan típicamente a través del bloqueo del modo solitón. Un solitón es una onda solitaria autorreforzada que mantiene su forma sin distorsión mientras viaja a velocidad constante a lo largo de una guía de ondas como una fibra óptica. Los solitones son el resultado de efectos dispersivos y no lineales que se cancelan entre sí en el medio de la guía de ondas, permitiendo así que se propague una envolvente de pulso estable.

Los formatos de fibra son preferibles en términos de costo, compacidad y robustez, y la estrategia aquí es utilizar una cavidad basada en segmentos alternos de fibras de dispersión positiva y negativa que conducen al ensanchamiento y compresión periódicos de los pulsos.

La clave es extraer el pulso de dicha cavidad cuando su duración es mínima, y, por tanto, la potencia máxima al máximo. Debido a la alta potencia pico del pulso extraído, Se pueden generar nuevos componentes de frecuencia a través de efectos ópticos no lineales dentro de una longitud externa de fibra. y estos son críticos cuando se trata de disminuir aún más la duración del pulso. Esto se basa en la relación matemática en ondas entre los dominios de frecuencia y tiempo conocida como transformada de Fourier. Para realizar esta transformación en forma física, los investigadores diseñaron una línea de retardo dispersiva que pliega los componentes de frecuencia recién creados en un solo pulso.

La configuración de los investigadores de Graphene Flagship se basó solo en equipos de telecomunicaciones estándar, con un absorbente saturable basado en un compuesto de grafeno y alcohol polivinílico (PVA) fabricado mediante un procesamiento de solución de bajo costo, con las escamas de grafeno exfoliadas del grafito a granel por agitación ultrasónica de la solución. La evaporación deja un compuesto de grafeno-PVA de 50 micrones de espesor, que luego se intercala entre conectores de fibra.

Con esta configuración, Purdie y sus colegas pudieron generar 29 pulsos de femtosegundos, que corresponde a menos de seis ciclos a una longitud de onda de 1,5 micrones.

La compensación de efectos no lineales y dispersivos de orden superior debería conducir a una duración de pulso más corta, y el uso de un diodo de mayor potencia, o una configuración de doble bombeo, podría dar como resultado pulsos de mayor ancho de banda, así como una mayor potencia de salida. Finalmente, la adición de fibras de cristal fotónico podría permitir, en principio, la generación de pulsos de láser igualmente cortos en otras longitudes de onda.

"Lo verdaderamente notable de este proyecto es la facilidad de combinar el grafeno con fibras ópticas disponibles en el mercado en un formato muy compacto, "dice Popa." De esta manera, podemos generar pulsos de luz que duran solo unos pocos ciclos, o unas millonésimas de mil millonésimas de segundo ".