Laser a stato solido ordinari, come usato nei puntatori laser, generare luce nel campo del visibile. Per molte applicazioni, però, come il rilevamento di molecole, sono necessarie radiazioni nel medio infrarosso. Tali laser a infrarossi sono molto più difficili da produrre, soprattutto se la radiazione laser è richiesta sotto forma di brevissimo, impulsi intensi.

Per molto tempo, gli scienziati hanno cercato metodi semplici per produrre tali impulsi laser a infrarossi:alla TU Wien questo è stato raggiunto, in collaborazione con l'Università di Harvard. La nuova tecnologia non richiede grandi allestimenti sperimentali; può essere facilmente miniaturizzato ed è quindi particolarmente interessante per applicazioni pratiche. I nuovi risultati sono stati ora presentati sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Il pettine di frequenza

"Generiamo luce laser nella gamma del medio infrarosso con laser a cascata quantica su misura prodotti nel modernissimo Nano-Center di TU Wien, " afferma Johannes Hillbrand dell'Institute of Solid State Electronics alla TU Vienna, primo autore dello studio. Mentre nei comuni laser a stato solido il tipo di luce emessa dipende dagli atomi nel materiale, nei laser a cascata quantica le strutture minuscole nell'intervallo dei nanometri sono cruciali. Progettando opportunamente queste strutture, la lunghezza d'onda della luce può essere regolata con precisione.

"I nostri laser a cascata quantica non si limitano a fornire un singolo colore di luce, ma tutta una gamma di frequenze diverse, " dice Ass. Prof. Benedikt Schwarz, che ha guidato il lavoro di ricerca nel suo progetto finanziato da una sovvenzione ERC. "Queste frequenze sono organizzate molto regolarmente, sempre con la stessa distanza in mezzo, come i denti di un pettine. Perciò, un tale spettro è chiamato pettine di frequenza."

La luce è come un pendolo

Però, non sono solo le frequenze emesse da un simile laser a cascata quantica ad essere decisive, ma anche la fase con cui oscillano le rispettive onde luminose. "Puoi paragonarlo a due pendoli collegati da un elastico, " spiega Johannes Hillbrand. "Possono oscillare avanti e indietro, esattamente in parallelo, o uno di fronte all'altro, in modo che oscillino l'uno verso l'altro o si allontanano l'uno dall'altro. E queste due modalità di vibrazione hanno frequenze leggermente diverse".

È abbastanza simile con la luce laser, che è composto da diverse lunghezze d'onda:le singole onde luminose del pettine di frequenza possono oscillare esattamente in sincronia, quindi si sovrappongono in modo ottimale e possono generare brevi, intensi impulsi laser. Oppure può esserci uno spostamento tra le loro oscillazioni, in tal caso non vengono creati impulsi, ma luce laser con un'intensità quasi continua.

Il modulatore di luce

"Nei laser a cascata quantistica, in precedenza è stato difficile passare avanti e indietro tra queste due varianti, " dice Johannes Hillbrand. "Tuttavia, abbiamo costruito un minuscolo modulatore nel nostro laser a cascata quantica, che le onde luminose passano ancora e ancora." Una tensione elettrica alternata viene applicata a questo modulatore. A seconda della frequenza e della forza della tensione, diverse oscillazioni di luce possono essere eccitate nel laser.

"Se guidi questo modulatore esattamente alla giusta frequenza, puoi ottenere che le diverse frequenze del nostro pettine di frequenza oscillino tutte esattamente in sincronia, " dice Benedikt Schwarz. "Questo rende possibile combinare queste frequenze in brevi, intensi impulsi laser, più di 12 miliardi di volte al secondo."

Questo livello di controllo su brevi impulsi laser a infrarossi non era precedentemente possibile con i laser a semiconduttore. Tipi di luce simili potrebbero, nella migliore delle ipotesi, essere generati solo utilizzando metodi molto costosi e con perdite. "La nostra tecnologia ha il vantaggio decisivo di poter essere miniaturizzata, " sottolinea Benedikt Schwarz. "Si potrebbe usarlo per costruire strumenti di misura compatti che utilizzano questi raggi laser speciali per cercare molecole molto specifiche in un campione di gas, Per esempio. Grazie all'elevata intensità luminosa degli impulsi laser, sono possibili anche misurazioni che richiedono due fotoni contemporaneamente.