Il laser elettro-ottico ultraveloce del NIST si basa su questa "lattina" di alluminio per stabilizzare e filtrare i segnali elettronici, che rimbalzano avanti e indietro all'interno finché le onde fisse emergono alle frequenze più forti e bloccano o filtrano altre frequenze. Credito:D. Carlson/NIST
I fisici del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno utilizzato l'elettronica comune per costruire un laser che pulsa 100 volte più spesso dei laser ultraveloci convenzionali. Il progresso potrebbe estendere i vantaggi della scienza ultraveloce a nuove applicazioni come l'imaging di materiali biologici in tempo reale.
La tecnologia per realizzare laser elettro-ottici esiste da cinque decenni, e l'idea sembra seducentemente semplice. Ma fino ad ora i ricercatori non sono stati in grado di commutare elettronicamente la luce per produrre impulsi ultraveloci ed eliminare il rumore elettronico, o interferenza.
Come descritto nel numero del 28 settembre di Scienza , Gli scienziati del NIST hanno sviluppato un metodo di filtraggio per ridurre l'interferenza indotta dal calore che altrimenti rovinerebbe la consistenza della luce sintetizzata elettronicamente.
"Abbiamo domato la luce con una lattina di alluminio, "Il capo del progetto Scott Papp ha detto, riferito alla "cavità" in cui i segnali elettronici vengono stabilizzati e filtrati. Mentre i segnali rimbalzano avanti e indietro all'interno di qualcosa come una lattina di soda, onde fisse emergono alle frequenze più forti e bloccano o filtrano altre frequenze.
Ultraveloce si riferisce a eventi che durano da picosecondi (trilionesimi di secondo) a femtosecondi (quadrilionesimi di secondo). Questo è più veloce del regime su scala nanometrica, introdotto nel lessico culturale alcuni anni fa con il campo delle nanotecnologie (i nanosecondi sono miliardesimi di secondo).
La fonte convenzionale di luce ultraveloce è un pettine a frequenza ottica, un preciso "righello" per la luce. I pettini sono solitamente realizzati con sofisticati laser "mode-locked", che formano impulsi da molti diversi colori di onde luminose che si sovrappongono, creare collegamenti tra frequenze ottiche e microonde. L'interoperabilità di segnali ottici e a microonde alimenta gli ultimi progressi nelle comunicazioni, sistemi di rilevamento del tempo e di rilevamento quantistico.
In contrasto, Il nuovo laser elettro-ottico del NIST impone vibrazioni elettroniche a microonde su un laser a onda continua che opera a frequenze ottiche, intagliando efficacemente gli impulsi nella luce.
"In qualsiasi laser ultraveloce, ogni impulso dura, dire, 20 femtosecondi, " ha detto l'autore principale David Carlson. "Nei laser a modalità bloccata, gli impulsi escono ogni 10 nanosecondi. Nel nostro laser elettro-ottico, gli impulsi escono ogni 100 picosecondi. Quindi questa è l'accelerazione qui:impulsi ultraveloci che arrivano 100 volte più velocemente o più."
Grafico che illustra come frequenze specifiche, o colori, di luce (picchi acuti) emergono dal rumore di fondo elettronico (blu) nel laser elettro-ottico ultraveloce del NIST. Lo sfondo verticale mostra come questi colori si combinano per creare un pettine di frequenza ottica, o "righello" per la luce. Credito:D. Carlson/NIST
"L'imaging chimico e biologico è un buon esempio delle applicazioni di questo tipo di laser, " Ha detto Papp. "Il sondaggio di campioni biologici con impulsi ultraveloci fornisce informazioni sia sull'imaging che sulla composizione chimica. Utilizzando la nostra tecnologia, questo tipo di imaging potrebbe avvenire notevolmente più velocemente. Così, l'imaging iperspettrale che attualmente richiede un minuto potrebbe avvenire in tempo reale".
Per realizzare il laser elettro-ottico, I ricercatori del NIST iniziano con un laser a infrarossi a onda continua e creano impulsi con un oscillatore stabilizzato dalla cavità, che fornisce l'equivalente di una memoria per garantire che tutti gli impulsi siano identici. Il laser produce impulsi ottici alla velocità delle microonde, e ogni impulso è diretto attraverso una struttura a guida d'onda del microchip per generare molti più colori nel pettine di frequenza.
Il laser elettro-ottico offre una velocità senza precedenti combinata con una precisione e una stabilità paragonabili a quelle di un laser a modalità bloccata, ha detto Papp. Il laser è stato costruito utilizzando telecomunicazioni commerciali e componenti a microonde, rendendo il sistema molto affidabile. La combinazione di affidabilità e precisione rende i pettini elettro-ottici interessanti per misurazioni a lungo termine di reti di orologi ottici o sistemi di comunicazione o sensori in cui i dati devono essere acquisiti più velocemente di quanto sia attualmente possibile.
