Un pulso óptico de láser (azul) ingresa desde la izquierda a la fibra de núcleo hueco llena de gas nitrógeno (moléculas rojas) y, a lo largo de la propagación, experimenta un ensanchamiento espectral hacia longitudes de onda más largas, representado como un rayo de salida naranja (derecha). Este fenómeno no lineal es causado por el efecto Raman asociado con las rotaciones de las moléculas de gas bajo el campo láser, como se ilustra esquemáticamente en el panel inferior. Crédito: Riccardo Piccoli (INRS)
Investigadores del Institut national de la recherche scientifique (INRS) han descubierto una forma rentable de sintonizar el espectro de un láser con el infrarrojo, una banda de gran interés para muchas aplicaciones de láser.
Colaboraron con equipos de investigación de Austria y Rusia para desarrollar esta innovación, que ahora es objeto de una solicitud de patente. Los resultados de su trabajo fueron publicados recientemente en Optica, la revista insignia de la Optical Society (OSA). En este campo de estudio, muchas aplicaciones láser tienen una ventaja decisiva si la longitud de onda del láser está ubicada y posiblemente sintonizable en la región infrarroja. Sin embargo, este no es aún el caso de las tecnologías láser ultrarrápidas actuales, y los científicos deben explorar varios procesos no lineales para cambiar la longitud de onda de emisión. En particular, el amplificador paramétrico óptico (OPA) ha sido hasta ahora la única herramienta bien establecida para alcanzar esta ventana infrarroja. Aunque los sistemas OPA ofrecen una amplia gama de posibilidades de sintonización, son complejos, a menudo constan de varias etapas y son bastante caros.
El investigador del INRS Luca Razzari se especializa en nanofotónica y óptica no lineal. Crédito: Christian Fleury (INRS)
El equipo del profesor Luca Razzari, en colaboración con el profesor Roberto Morandotti, ha demostrado que la sintonización de grandes longitudes de onda también se puede lograr con un sistema simple y mucho menos costoso: una fibra de núcleo hueco (capilar) llena de nitrógeno. Además, este enfoque entrega fácilmente pulsos ópticos más cortos que los del láser de entrada y con alta calidad espacial. Los investigadores también se beneficiaron de la experiencia del INRS en este campo, ya que la startup comercializa el sistema especial para estirar y sujetar dichas fibras. pocos ciclos.
Ampliación espectral asimétrica
Por lo general, las fibras de núcleo hueco se llenan con un gas monoatómico como el argón para ampliar simétricamente el espectro del láser y luego recomprimirlo en un pulso óptico mucho más corto. El equipo de investigación descubrió que mediante el uso de un gas molecular como el nitrógeno, el ensanchamiento espectral aún era posible, pero de una manera inesperada.
En lugar de expandirse simétricamente, el espectro se desplazó de manera impresionante hacia longitudes de onda infrarrojas menos energéticas. Este cambio de frecuencia es el resultado de la respuesta no lineal asociada con la rotación de las moléculas de gas y, como tal, puede controlarse fácilmente variando la presión del gas (es decir, el número de moléculas) en la fibra.
– Dr. Riccardo Piccoli, quien dirigió los experimentos en el equipo de Razzari.
Una vez que el haz se amplía hacia el infrarrojo, los investigadores filtran el espectro de salida para mantener solo la banda de interés. Con este enfoque, la energía se transfiere al rango espectral del infrarrojo cercano (con una eficiencia comparable a la de los OPA) en un pulso tres veces más corto que la entrada, sin ningún aparato complejo o sistema de postcompresión de pulso adicional.
Una colaboración internacional
Para completar la investigación, los científicos del INRS se unieron a colegas austriacos y rusos.
Combinamos nuestra experiencia después de descubrir en una conferencia cuán similares eran los fenómenos que habían observado nuestros dos grupos.
– Luca Razzari
El equipo de investigadores con sede en Viena encabezado por el profesor Andrius Baltuska y el Dr. Paolo A. Carpeggiani tenía una estrategia complementaria a la del INRS. También utilizaron una fibra de núcleo hueco llena de nitrógeno, pero en lugar de filtrar el espectro, lo comprimieron en el tiempo con espejos capaces de ajustar la fase del pulso ampliado. “En este caso, el cambio general en el infrarrojo fue menos extremo, pero el pulso final fue mucho más corto e intenso, perfectamente adaptado a la física de attosegundos y campos fuertes”, dice el Dr. Carpeggiani.
El equipo con sede en Moscú, dirigido por el profesor Aleksei Zheltikov, se centró en desarrollar un modelo teórico para explicar estos fenómenos ópticos. Al combinar estos tres enfoques, los investigadores pudieron comprender completamente la compleja dinámica subyacente, así como lograr no solo el desplazamiento extremo al rojo utilizando nitrógeno, sino también una compresión de pulso eficiente en el rango infrarrojo.
El equipo internacional cree que el método podría satisfacer la creciente demanda de fuentes ultrarrápidas de longitud de onda larga en aplicaciones láser y de campo fuerte, comenzando con sistemas sintonizables de grado industrial menos costosos basados en la tecnología emergente del láser de iterbio.
Referencia: “Desplazamiento al rojo Raman extremo: dinámica de espacio-tiempo no lineal multimodo ultrarrápida, compresión de pulso y conversión de frecuencia ampliamente sintonizable” por PA Carpeggiani, G. Coccia, G. Fan, E. Kaksis, A. Pugžlys, A. Baltuška, R . Piccoli, Y.-G. Jeong, A. Rovere, R. Morandotti, L. Razzari, BE Schmidt, AA Voronin y AM Zheltikov, 8 de octubre de 2020, Optica.
DOI: 10.1364 / OPTICA.397685
Los investigadores han recibido apoyo financiero del Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá (NSERC), PROMPT, el Fondo Austriaco de Ciencias (FWF), la Fundación Rusa para la Investigación Básica (RFBR), la Fundación Welch y la Fundación Científica Rusa (RSF). ).
