Sebbene fondamentale per varie applicazioni, come taglio e saldatura, chirurgia e trasmissione di bit tramite fibra ottica, i laser hanno alcune limitazioni, vale a dire, producono luce solo in intervalli di lunghezze d'onda limitati. Ora, i ricercatori del Ginzton Lab della Stanford University hanno modificato sorgenti luminose simili, chiamati oscillatori parametrici ottici, per superare questo ostacolo.

Fino ad ora, queste fonti di luce meno conosciute sono state per lo più confinate al laboratorio perché la loro configurazione lascia poco spazio agli errori:anche una piccola spinta potrebbe farla fuoriuscire dall'allineamento. Però, a seguito di una decisione controintuitiva, i ricercatori potrebbero aver trovato una soluzione a questa debolezza che potrebbe portare a minori, sorgenti di impulsi luminosi più economiche e più efficienti.

Il loro lavoro, pubblicato il 1 febbraio in Lettere di revisione fisica , dimostra un nuovo modo di produrre impulsi a femtosecondi - impulsi misurati in quadrilionesimi di secondo - in intervalli di lunghezze d'onda desiderabili utilizzando questa sorgente luminosa. La tecnologia potrebbe potenzialmente portare a un migliore rilevamento di inquinanti e malattie semplicemente scansionando l'aria o il respiro di qualcuno.

Un'innovazione controintuitiva

La sorgente di luce studiata da questi ricercatori consiste in una fase iniziale in cui gli impulsi di luce di un laser tradizionale vengono fatti passare attraverso uno speciale cristallo e convertiti in una gamma di lunghezze d'onda a cui è difficile accedere con i laser convenzionali. Quindi, una serie di specchi fa rimbalzare gli impulsi luminosi in un circuito di feedback. Quando questo circuito di retroazione è sincronizzato con gli impulsi laser in ingresso, gli impulsi appena convertiti si combinano per formare un'uscita sempre più forte.

Tradizionalmente, le persone non potevano convertire gran parte degli impulsi luminosi iniziali nell'output desiderato con un tale aggeggio. Ma per essere efficace nelle applicazioni del mondo reale, il gruppo ha dovuto aumentare quella percentuale.

"Avevamo bisogno di una maggiore efficienza di conversione per dimostrare che era una fonte che valeva la pena studiare, " disse Alireza Marandi, un membro dello staff del Ginzton Lab. "Così abbiamo appena detto, 'OK, quali sono le manopole che abbiamo in laboratorio?' Ne abbiamo girato uno che faceva riflettere meno luce sugli specchi, che era contro le linee guida standard, e l'efficienza di conversione è raddoppiata." I ricercatori hanno pubblicato i loro primi risultati sperimentali due anni fa su Optica.

Aumentare la potenza in un progetto convenzionale di solito si traduce in due risultati indesiderati:gli impulsi si allungano e l'efficienza di conversione diminuisce. Ma nel nuovo design, dove i ricercatori hanno ridotto significativamente la riflettività dei loro specchi, è avvenuto il contrario.

"Stavamo pensando a questo regime basato sulle linee guida di progettazione standard, ma il comportamento che avremmo visto in laboratorio era diverso, " ha detto Marc Jankowski, autore principale dell'articolo e studente laureato al Ginzton Lab. "Stavamo assistendo a un miglioramento delle prestazioni, e non siamo riusciti a spiegarlo."

Dopo ulteriori simulazioni ed esperimenti di laboratorio, il gruppo ha scoperto che la chiave non era solo rendere gli specchi meno riflettenti, ma anche allungare il ciclo di feedback. Ciò ha allungato il tempo impiegato dagli impulsi di luce per completare il loro ciclo e avrebbe dovuto rallentarli troppo. Ma la minore riflettività, combinato con il ritardo, ha causato l'interazione degli impulsi in modi inaspettati, che li ha riportati in sincronia con i loro partner in arrivo.

Questa sincronizzazione imprevista ha più che raddoppiato la larghezza di banda dell'output, il che significa che può emettere una gamma più ampia di lunghezze d'onda all'interno della gamma a cui è difficile accedere con i laser convenzionali. Per applicazioni come il rilevamento di molecole nell'aria o nel respiro di una persona, sorgenti luminose con maggiore larghezza di banda possono risolvere molecole più distinte. In linea di principio, gli impulsi prodotti da questo sistema potrebbero essere compressi fino a 18 femtosecondi, che può essere utilizzato per studiare il comportamento delle molecole.

La decisione di ridurre la riflettività dello specchio ha avuto la sorprendente conseguenza di rendere più robusto un dispositivo precedentemente perspicace, più efficiente e migliore nella produzione di impulsi luminosi ultracorti in gamme di lunghezze d'onda a cui è difficile accedere con i laser tradizionali.

Uscire dal laboratorio

La prossima sfida è progettare il dispositivo per stare nel palmo di una mano.

"Parli con persone che hanno lavorato con questa tecnologia negli ultimi 50 anni e sono molto scettiche riguardo alle sue applicazioni nella vita reale perché pensano a questi risonatori come a un arrangiamento molto fine che è difficile da allineare e richiede un sacco di manutenzione, "disse Marandi, che è anche coautore dell'articolo. "Ma in questo regime di funzionamento questi requisiti sono super-rilassati, e la fonte è super affidabile e non necessita delle cure approfondite richieste dai sistemi standard."

Questa nuova flessibilità di progettazione rende più facile miniaturizzare tali sistemi su un chip, che potrebbe portare a molte nuove applicazioni per il rilevamento di molecole e il telerilevamento.

"A volte rimodelli completamente la tua comprensione dei sistemi che pensi di conoscere, " Jankowski ha detto. "Questo cambia il modo in cui interagisci con loro, come li costruisci, come li progetti e quanto sono utili. Abbiamo lavorato su queste fonti per anni e ora abbiamo ottenuto alcuni indizi che ci aiuteranno davvero a portarli fuori dal laboratorio e nel mondo".