Los láseres se han vuelto indispensables para la vida moderna desde que se inventaron hace más de cincuenta años. La capacidad de generar y amplificar ondas de luz en un haz coherente, monocromático y bien enfocado ha dado lugar a aplicaciones demasiado numerosas para contar: escáneres láser, impresoras láser, cirugía láser, almacenamiento de datos basado en láser, comunicaciones de datos ultrarrápidas a través de luz láser, y la lista continúa.
Los láseres se encuentran en todas las formas, tamaños y colores. Pueden estar hechos de gases láseres de gas o basados en materiales sólidos láseres de estado sólido. Pueden emitir luz de diferentes colores o longitudes de onda o frecuencias, desdeRayos X longitudes de onda cortas a visible a infrarrojo lejano longitudes de onda largas. Pueden ser tan grandes como un edificio láser de electrones libres o tan pequeños como un puntero láser láser de diodo semiconductor.
En la última década, los investigadores han intentado miniaturizar las tecnologías fotónicas para una integración densa en pequeños chips semiconductores. Para ese fin, hay una intensa actividad en el desarrollo de nanolasers aún más pequeños, de los cuales los láseres plasmónicos son los más pequeños.
El láser plasmónico, dice Sushil Kumar, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática, utiliza películas de metal o nanopartículas para confinar la energía de la luz dentro de la cavidad desde la cual se genera la luz láser. Al almacenar la energía de la luz dentro de la cavidad a través de una combinación de electronesOscilaciones en las películas de metal integradas o nanopartículas, los láseres plasmónicos utilizan polaritones de superficie-plasmón SPP para almacenar energía en dimensiones que pueden hacerse más pequeñas que la longitud de onda de la luz que generan.
Esta capacidad única de los láseres plasmónicos los hace atractivos para aplicaciones potenciales en óptica integrada en chip, para transportar grandes cantidades de datos en chip y entre chips vecinos, y para el procesamiento de información digital ultrarrápido.
Sin embargo, deben resolverse varios problemas antes de que los láseres plasmónicos puedan usarse ampliamente. Uno de los principales problemas, dice Kumar, es la dificultad de extraer luz de la cavidad de un láser plasmónico. Los láseres también son emisores extremadamente pobres deluz, y cualquier luz que salga es altamente divergente en lugar de enfocada, lo que limita severamente su utilidad.
Si bien la mayoría de los láseres plasmónicos emiten radiación visible o infrarroja cercana, el grupo de Kumar desarrolla láseres plasmónicos que emiten radiación de terahercios de onda larga, también conocidos como láseres de cascada cuántica de terahercios, o QCL. Como las fuentes más brillantes de terahercio en estado sólido.radiación, dice Kumar, los QCL están especialmente preparados para encontrar aplicaciones en biología y medicina para la detección y espectroscopía de especies moleculares, en la detección de seguridad para la detección remota de explosivos empaquetados y otros materiales ilícitos, y en astrofísica y ciencia atmosférica.
Los QCL de Terahertz, sin embargo, también emiten haces altamente divergentes, lo que representa un obstáculo para la comercialización.
Kumar y su grupo han demostrado que es posible inducir a los láseres plasmónicos a emitir un haz de luz estrecho mediante la adaptación de una técnica llamada retroalimentación distribuida. Han implementado experimentalmente un esquema para láseres plasmónicos de terahercios que emiten radiación a longitudes de onda extremadamente largas aproximadamente100 micras. La energía de la luz en su láser está confinada dentro de una cavidad intercalada entre dos placas metálicas separadas por una distancia de 10 micras. Usando una cavidad en forma de caja que mide 10 micras por 100 micras por 1,400 micras 1,4 milímetros, el grupoprodujo un láser de terahercios con un ángulo de divergencia del haz de solo 4 grados por 4 grados, la divergencia más estrecha lograda hasta ahora para tales láseres de terahercios.
Kumar, quien ha realizado cuatro años de investigación experimental y teórica sobre el proyecto, describió los resultados en un artículo publicado hoy en óptica , el diario de la Optical Society of America. "Chongzhao Wu, un candidato a doctorado en ingeniería eléctrica, escribió un" láser plasmónico de Terahertz que irradia en un haz ultra estrecho "y fue coautor con Sudeep Khanal, también un Ph.D. candidato en ingeniería eléctrica, y John L. Reno, del Centro de Nanotecnologías Integradas de los Laboratorios Nacionales Sandia en Nuevo México.
Comentarios distribuidos a través de rejillas periódicas
La retroalimentación distribuida DFB en los láseres se introdujo a principios de la década de 1970, dice Kumar, cuando los científicos descubrieron que la implementación de la periodicidad una estructura con patrón permitió a los láseres emitir luz en una sola longitud de onda. La periodicidad en la cavidad del láser proporciona retroalimentación para el láser sostenidooscilaciones en la cavidad por el mecanismo de difracción de Bragg.
"Hay dos razones principales para dar a los láseres una estructura periódica", dice Kumar. "El primero es mejorar la selectividad espectral. Un láser puede emitir luz en varias longitudes de onda o colores muy espaciados. Pero un láser con una estructura periódica puedeser forzado a emitir luz a una sola longitud de onda por el mecanismo de filtrado espectral. Tal láser espectralmente puro, monomodo, a menudo es indispensable para muchas aplicaciones.
"Una estructura periódica también puede mejorar la calidad del rayo láser al canalizar la luz intensamente en un lugar estrecho. Estos rayos láser de haz estrecho pueden suministrar energía luminosa a un lugar donde más se necesita. Pueden brillar por largas distancias y sonmás fácil de manipular y redirigir en la ubicación deseada utilizando componentes ópticos pequeños ".
Muchos esquemas de DFB se han desarrollado para diferentes tipos de láser. Debido a que los láseres plasmónicos son relativamente nuevos, la investigación para mejorarlos utilizando estructuras fotónicas periódicas todavía está en sus primeras etapas.
Kumar describe su esquema DFB en la terminología de un principio de ingeniería de microondas llamado antena de matriz en fase. Estas antenas se utilizan para lograr una alta directividad haz estrecho en comunicaciones de radar y satélite. Las matrices en fase también se implementan en "líneas de transmisión de microstrip"que canalizan señales de microondas en placas de circuitos impresos utilizando películas de metal.
"Nuestra técnica permite que un láser plasmónico irradie en un haz estrecho, muy parecido a una antena de matriz en fase", dice Kumar. Su grupo implementó DFB en el láser haciendo rendijas o "rejillas" periódicas en uno de los revestimientos metálicosque recubren la cavidad del láser. La capacidad única del láser para emitir un haz de luz monocromático y enfocado se deriva del grado de periodicidad.
"El período que elegimos depende de la longitud de onda de luz deseada del láser, el índice de refracción del medio de la cavidad y el índice de refracción del medio circundante", dice Kumar.
La técnica DFB del grupo tiene dos aspectos únicos. La periodicidad elegida es la contribución técnica más importante y, dice Kumar, es claramente diferente de las reglas de diseño DFB previamente establecidas para láseres de estado sólido.
Segundo, la periodicidad establece una onda SPP intensa que "cuelga" en el medio circundante de la cavidad del láser mientras permanece atada a su revestimiento de metal, y que se propaga en tándem con otra onda SPP dentro de la cavidad.
"Todos los láseres plasmónicos tienen SPP dentro de sus cavidades", dice Kumar. "Nuestro láser también genera SPP en el aire o en cualquier otro medio que pueda rodear el láser. Esto es algo único que no se puede encontrar en ningún otro láser aún demostrado.
"El gran tamaño de la onda SPP en el medio circundante conduce a un patrón de radiación altamente directo estrecho del láser plasmónico. Esto se deriva de la fórmula de difracción de Fraunhofer en óptica, que dice que la distribución del campo de luz está lejos de la luzfuente campo lejano es la transformada de Fourier de la distribución del campo de luz en la fuente campo cercano. Efectivamente, cuando el campo cercano es estrecho, el campo lejano es amplio y viceversa.
"Hemos creado un campo cercano con una gran extensión espacial; esto implica un campo lejano estrecho o un haz enfocado"
Kumar y Wu han presentado una solicitud de patente sobre su invención, que según él podría ayudar a los láseres plasmónicos, especialmente los QCL de terahercios con haces estrechos, a encontrar aplicaciones comerciales.
"Existe un gran interés en la espectrometría de seguridad", escribieron los investigadores en un resumen para la reciente Conferencia Mundial de Innovación TechConnect 2016, donde ganaron un Premio Nacional a la Innovación TechConnect ". Aproximadamente del 80 al 95 por ciento de los explosivos, y todos comúnmentelos usados, tienen firmas de terahercios únicas e identificables "
El grupo de Kumar fabrica láseres en la sala limpia del Centro de Fotónica y Nanoelectrónica de Lehigh. Cultivan su material semiconductor utilizando epitaxia de haz molecular a través de una colaboración con Reno. El proyecto de Kumar fue apoyado por la National Science Foundation NSF de 2011-14. KumarTambién recibió el Premio NSF CAREER en 2014 por diseñar el material semiconductor que constituye las cavidades láser de terahercios. Ese material se basa en capas alternas de arseniuro de galio y arseniuro de galio y aluminio.
Kumar recibió recientemente otro premio NSF para mejorar el rendimiento de los láseres plasmónicos de terahercios para que emitan hasta 100 milivatios de potencia óptica mientras mantienen la divergencia angular del rayo láser a menos de 5 grados. El grupo propone mejorar las eficiencias radiativas por "fase""bloquear" múltiples cavidades láser juntas, para que puedan operar en tándem y entregar intensidades más brillantes de luz láser en la ubicación deseada.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Lehigh . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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