Láser al cuadrado: A dos

Característica del 17 de julio de 2023

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por Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Los láseres son un invento histórico importante con un impacto omnipresente en la sociedad. El concepto también tiene aplicaciones interdisciplinarias como láseres de fonones y láseres de átomos. Un láser en un dominio físico puede ser bombeado con energía en otro. Sin embargo, todos los láseres demostrados en la práctica hasta ahora sólo han funcionado en un dominio físico.

En un nuevo informe publicado en Science Advances, Ning Wang y un equipo de investigación de la Facultad de Óptica y Fotónica de la Universidad de Florida Central, EE. UU., y el grupo Prysmian en Francia demostraron el proceso simultáneo de láser de fotones y fonones. El láser de dos dominios tiene múltiples aplicaciones como pinzas ópticas y acústicas para realizar sensores mecánicos para generar microondas y realizar procesamiento cuántico. El equipo espera que esta demostración abra nuevos caminos para aplicaciones multidominio relacionadas con el láser.

Los láseres son una extensión de los osciladores electrónicos de radiofrecuencia y los máseres de microfrecuencia en la región óptica. Los láseres tienen enormes aplicaciones con nuevas extensiones del concepto en dominios como los osciladores acústicos, también conocidos como sasers, y los osciladores en ondas atómicas o de materia. El concepto de láser describe tradicionalmente un oscilador óptico basado en emisión estimulada, aunque los términos láser de fonón y láser de átomo/materia también son bastante comunes.

Hay algunas aplicaciones en las que el proceso de láser simultáneo de fotones y fonones puede resultar útil. Estos incluyen el desarrollo de pinzas acústicas en la escala submilimétrica. Las imágenes biológicas ultrasónicas y fotónicas combinadas para mejorar la calidad de las imágenes y los láseres de dos dominios tienen alcance en el procesamiento y la detección de información cuántica. Las demostraciones existentes han demostrado que la onda acústica óptica de Stokes es un subproducto de un láser de fonones. En este trabajo, Wang y sus colegas desarrollaron un sistema de osciladores acoplados que disparaban en dos dominios físicos distintos bombeados desde la misma fuente para mostrar cómo el láser simultáneo de dos dominios de fotones y fonones mejoraba las potencias de salida de los láseres de fotones y fonones.

El equipo generó la onda acústica de flexión de baja frecuencia utilizando la dispersión Brillouin estimulada hacia adelante; la interacción de fotones y fonones dentro de una fibra bimodo. Los fonones de baja frecuencia quedaron confinados en la fibra de sílice con una vida útil prolongada de 10 milisegundos. La longitud de propagación fue de aproximadamente 10 metros, lo que permitió que los fonones también emitieran rayos. En la configuración experimental, la oscilación coherente de la onda óptica mejoró la ganancia de los fonones acústicos y viceversa, para generar láser en dos dominios.

El equipo observó cuatro estados de funcionamiento en el dispositivo al aumentar la potencia de la bomba óptica para producir láser de fotones y fonones, para lo cual las ganancias tanto de la onda óptica de Stokes como de la onda acústica tenían que superar sus pérdidas. Los experimentadores idearon un método para permitir que la energía de los fonones dentro de la cavidad del anillo facilite la emisión de láser de fonones. Mientras que la potencia del láser de fonón estaba confinada dentro de la cavidad, se vio el láser óptico de Stokes en la salida del acoplador.

Durante los experimentos, los investigadores utilizaron un diodo de bomba acoplado a fibra de 976 nm con una potencia de salida máxima de 400 mW. Utilizaron un refrigerador termoeléctrico para regular la temperatura funcional del sistema. La bomba se lanzó a una fibra de dos modos acoplada a la cavidad del anillo de diámetro exterior.

Los científicos utilizaron una fibra bimodal de revestimiento reducido hecha de revestimiento de sílice pura y un núcleo de sílice dopado con óxido de germanio. Dado que los campos acústicos se extendieron a todo el revestimiento, el proceso de reducción del tamaño del revestimiento de fibra bimodal mejoró la superposición entre los campos acústicos y ópticos para aumentar el coeficiente de ganancia de dispersión Brillouin estimulado.

El equipo midió la potencia de salida del láser de fonones en función de la potencia de la bomba inyectada en la cavidad del anillo para obtener dos umbrales correspondientes al láser de fotones y al láser de fonones. La potencia umbral de bombeo del láser de fotones fue de 180 mW. Cuando aumentaron la potencia de la bomba a 308 mW, el láser de fonones también comenzó a emitir láser.

El umbral medido de la potencia de la bomba y la potencia del láser de salida coincidieron con los resultados de la simulación numérica. El láser de fotones-fonones representaba una jerarquía disipativa invertida, donde el ancho de línea de emisión acústica era mucho más estrecho que el ancho de línea del láser de bomba en comparación con los estándares existentes.

De esta manera, Ning Wang y sus colegas mostraron cómo dos láseres acoplados coherentemente en diferentes dominios físicos realizaban una variedad de tareas prácticas. La luz y el sonido tienen propiedades espaciales y temporales distintas e interactúan de manera diferente con los materiales; por lo tanto, su disponibilidad se puede explorar de manera diferente. Este fenómeno de láser acoplado en dos dominios físicos diferentes dentro de la misma cavidad es el primer resultado del estudio. Este resultado va más allá de los métodos ya establecidos que incluyen láseres acoplados coherentemente, como conjuntos de diodos láser.

El láser de dos dominios exploró la dispersión de Brillouin estimulada intermodalmente hacia adelante para permitir el acoplamiento del láser simultáneo de fotones y fonones dentro de la misma cavidad. El equipo no observó directamente la potencia del láser de fonones en este estudio debido a la ausencia de cámaras de alta resolución y alta velocidad de fotogramas. Los científicos observaron varios regímenes de funcionalidad del láser en relación con la dispersión espontánea de Brillouin, el láser de fotones y el láser de fotones-fonones, que se alineaban con el modelo teórico del láser de dos dominios. Los resultados pueden conducir a futuros avances en optomecánica y marcarán el comienzo de los láseres multidominio y aplicaciones relacionadas.

Más información: Ning Wang et al, Laser 2: un láser de fotón-fonón de dos dominios, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg7841

Robert M. Pettit et al, Un láser de fonón de pinza óptica, Nature Photonics (2019). DOI: 10.1038/s41566-019-0395-5

Información de la revista:Fotónica de la naturaleza, avances científicos.

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