Físicos de la Universidad de Harvard han desarrollado un nuevo y potente láser en un chip que emite pulsos brillantes en el espectro del infrarrojo medio, un rango de luz esquivo pero muy útil que puede usarse para detectar gases y habilitar nuevas herramientas espectroscópicas.
El dispositivo integra la funcionalidad de un sistema grande en un chip diminuto sin necesidad de componentes externos. Combina un diseño fotónico innovador con tecnología láser de cascada cuántica y se espera que pronto revolucione el monitoreo ambiental y el diagnóstico médico al detectar miles de frecuencias de luz a la vez.
Físicos de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson (SEAS) de Harvard han desarrollado un láser compacto que emite pulsos de luz brillantes y ultracortos en el espectro del infrarrojo medio, un rango de longitud de onda que es a la vez científicamente valioso y técnicamente desafiante. El rendimiento del dispositivo es comparable al de sistemas fotónicos más grandes, pero está completamente integrado en un solo chip.
La investigación, publicada hoy (16 de abril) en la revista Nature, marca la primera demostración de un generador de pulsos láser de infrarrojo medio de picosegundos en un chip que funciona sin ningún componente externo. El láser puede generar un peine de frecuencias ópticas (un espectro de frecuencias distribuidas uniformemente) que se utiliza ampliamente en mediciones de alta precisión. Esta plataforma compacta tiene el potencial de permitir una nueva generación de sensores de gas de amplio espectro para el monitoreo ambiental, así como herramientas espectroscópicas avanzadas para imágenes médicas.
La investigación fue dirigida por el autor principal Federico Capasso, profesor Robert L. Wallace de Física Aplicada en SEAS, y Vinton Hayes, investigador principal en ingeniería eléctrica. El proyecto fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias y el Departamento de Defensa en colaboración con el grupo de Schwarz en la Universidad Técnica de Viena (TU Wien), un equipo de investigación italiano dirigido por Luigi A. Lugiato y la empresa Leonardo DRS Daylight Solutions dirigida por Timothy Day.
"Se trata de una nueva e interesante tecnología que integra fotónica no lineal en un chip para generar pulsos de luz ultracortos en el infrarrojo medio; nunca antes se había hecho nada parecido", afirmó Capasso. "Además, el dispositivo se puede producir fácilmente en fundiciones láser industriales utilizando procesos estándar de fabricación de semiconductores".
Diagrama artístico de un chip láser de infrarrojo medio que muestra trayectorias de luz que conectan sus componentes. Fuente de la imagen: Luo Runke
La banda del infrarrojo medio es la parte invisible del espectro electromagnético y ahora se utiliza ampliamente en campos medioambientales. Debido a que muchas moléculas de gas, como el dióxido de carbono y el metano, absorben eficazmente la luz del infrarrojo medio, este rango de longitud de onda se ha convertido en una herramienta importante para monitorear los gases ambientales, especialmente en la tecnología láser de cascada cuántica de la que Capasso fue pionera en la década de 1990.
El nuevo artículo demuestra una forma de generar una fuente de luz de banda ancha que puede detectar muchas huellas dactilares de absorción diferentes de un gas en un solo dispositivo.
"Este es un paso clave en la creación de lo que llamamos una fuente de luz supercontinua, que puede producir miles de frecuencias de luz diferentes en un solo chip", dijo el coautor Dmitry Kazakov, investigador del equipo de Capasso. "Creo que esta es una posibilidad real para el desarrollo futuro de esta plataforma".
Los láseres en cascada cuántica son la base de este nuevo logro en ingeniería nanofotónica, al colocar en capas diferentes materiales semiconductores nanoestructurados para producir haces coherentes en el infrarrojo medio. A diferencia de otros láseres semiconductores, que se han basado en técnicas maduras de bloqueo de modo durante décadas para generar pulsos, los láseres de cascada cuántica siguen siendo difíciles de generar pulsos debido a su dinámica ultrarrápida inherente.
Los generadores de pulsos de infrarrojo medio existentes basados en láseres de cascada cuántica a menudo requieren configuraciones complejas para lograr la emisión de pulsos, así como muchos componentes de hardware discretos. También suelen estar limitados a una determinada potencia de salida y ancho de banda espectral.
Imagen de microscopio óptico de un chip fotónico integrado en cascada cuántica. El chip que se muestra contiene dos dispositivos idénticos, cada uno con cuatro componentes: un láser impulsado por Fabry-Perot, un acoplador de guía de ondas, un calentador resistivo y un resonador de pista de carreras. Crédito de la imagen: Capasso Lab/Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard
Este nuevo generador de pulsos combina a la perfección múltiples conceptos de fotónica integrada no lineal y láseres integrados en un solo dispositivo para generar un tipo específico de pulso de luz de picosegundo, llamado solitón. Al diseñar la arquitectura del chip, los investigadores se inspiraron en un dispositivo modulador de luz aparentemente no relacionado: el microresonador Kerr. Su pensamiento creativo les permitió eludir las técnicas tradicionales de generación de impulsos, como el bloqueo de modo.
"Nuestro método de medición no es convencional en la investigación del láser en cascada cuántica", dijo el coautor principal Theodore Letsou, estudiante de posgrado en el MIT e investigador del equipo de Capasso. "Fusionamos ambos campos y tomamos prestado de la investigación en el campo de los resonadores de Kerr y los aplicamos a nuestro sistema. Fue un proceso apasionante".
"Para mí, el impacto más importante de nuestro nuevo estudio, además de la impresionante física, es que nos da la confianza para fabricar y operar arquitecturas de múltiples componentes, lo que hasta ahora ha sido un desafío en la fotónica integrada del infrarrojo medio", dijo el coautor Benedikt Schwarz, profesor de la Universidad Técnica de Viena. "Ya estamos desarrollando nuevas arquitecturas para habilitar funciones que antes se consideraban imposibles".
Los investigadores se basaron en una teoría fundamental publicada en la década de 1980 que estableció el marco para los resonadores pasivos de Kerr. Uno de los coautores del nuevo artículo es Luigi Lugiato, quien trabajó para reutilizar las ecuaciones originales para describir la dinámica de los sistemas láser de infrarrojo medio.
"Esta es la emocionante culminación de un viaje que comenzó con la ecuación Lugiato-Lefever", dijo Lugiato, profesor emérito de la Universidad de Insubria en Italia. "Lo que comenzó como un modelo de sistema pasivo ahora ha evolucionado hasta convertirse en un marco unificado para peines de frecuencia de solitones en una variedad de cavidades. Este camino nos llevó a predecir solitones por encima del umbral en láseres de cascada cuánticos impulsados por luz, un resultado que ahora ha sido confirmado experimentalmente".
El nuevo láser de infrarrojo medio puede generar pulsos de forma fiable durante horas. Lo más importante es que también se puede producir en masa utilizando los procesos de fabricación industrial existentes, lo que acelerará en gran medida su adopción generalizada. El dispositivo consta de tres partes: un resonador anular accionable externamente; un láser en chip que acciona el resonador de anillo; y un segundo resonador de anillo activo que actúa como filtro. Los chips se fabrican en la Universidad Técnica de Viena.
"Esta tecnología tiene el potencial de transformar verdaderamente el campo de la espectroscopia de infrarrojo medio", afirmó Timothy Day, coautor del artículo y vicepresidente senior y director general de la unidad de negocios Daylight Solutions de Leonardo DRS. "El uso de los procesos de fabricación existentes para lograr la producción comercial en masa de estos dispositivos realmente potenciará el desarrollo futuro de múltiples mercados, incluido el monitoreo ambiental, el control de procesos industriales, la investigación en ciencias biológicas y el diagnóstico médico".
Compilado de /ScitechDaily