Los láseres de femtosegundos pulsados, que emiten luz en ráfagas ultrarrápidas que duran una millonésima de una billonésima de segundo, son herramientas poderosas que se utilizan en una variedad de aplicaciones, desde la medicina y la fabricación hasta sensores y mediciones de precisión del espacio y el tiempo. Hoy en día, estos láseres suelen ser sistemas de escritorio costosos, lo que limita su uso en aplicaciones con restricciones de tamaño y consumo de energía.

Una fuente de pulsos de femtosegundos en el chip desbloquearía nuevas aplicaciones en computación cuántica y óptica, astronomía, comunicaciones ópticas y más. Sin embargo, ha sido un desafío integrar láseres pulsados ​​sintonizables y altamente eficientes en chips.

Ahora, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) han desarrollado una fuente de pulsos de femtosegundos en chip de alto rendimiento que utiliza una herramienta que parece sacada directamente de la ciencia ficción: una lente del tiempo.

La investigación se publica en Naturaleza.

«Los láseres pulsados, que producen pulsos cortos de alta intensidad compuestos de muchos colores de luz, se han mantenido grandes», dijo Marko Lon?ar, profesor de ingeniería eléctrica de Tiantsai Lin en SEAS y autor principal del estudio. «Para hacer que estas fuentes sean más viables, decidimos reducir un enfoque bien conocido para realizar fuentes de femtosegundos convencionales y grandes aprovechando una plataforma fotónica integrada de última generación que desarrollamos. Es importante destacar que nuestros chips se fabrican utilizando técnicas de microfabricación utilizadas para fabricar chips de computadora, lo que garantiza no solo un costo y tamaño reducidos, sino también un mejor rendimiento y confiabilidad de nuestras fuentes de femtosegundos».

Las lentes convencionales, como las lentes de contacto o las que se encuentran en lupas y microscopios, desvían los rayos de luz que vienen de diferentes direcciones cambiando su fase para que lleguen al mismo punto en el espacio: el punto focal.

Las lentes de tiempo, por otro lado, «doblan» los rayos de luz de manera similar, pero cambian la fase de los rayos de luz temporalmente en lugar de espacialmente. De esta manera, los diferentes colores de la luz, viajando a diferentes velocidades, se reprograman para que cada uno golpee el plano de enfoque al mismo tiempo.

Imagina una carrera de autos donde cada color de luz es un auto diferente. Primero, la lente de tiempo cambia la hora de salida de cada automóvil y luego ajusta su velocidad para que lleguen a la línea de meta al mismo tiempo.

Para generar pulsos de femtosegundos, el dispositivo del equipo utiliza una serie de guías de ondas ópticas, acopladores, moduladores y rejillas ópticas en la plataforma de niobato de litio desarrollada por el laboratorio de Lonjar.

El equipo primero pasa un rayo láser monocromático de onda continua a través de un modulador de amplitud que controla la cantidad de luz que pasa a través de la lente del tiempo, una función similar a la apertura de una lente convencional. Luego, la luz se propaga a través de la parte «flexible» de la lente, en este caso un modulador de fase, donde se crea un peine de frecuencia de diferentes colores. Volviendo a la analogía del automóvil, el modulador de fase crea los automóviles de diferentes colores en diferentes tiempos de inicio y luego los libera.

Luego entra el último componente del láser: una rejilla en forma de espiga a lo largo de la guía de ondas. La cuadrícula cambia la velocidad de los diferentes colores de luz para alinearlos codo a codo en la carrera para que lleguen a la línea de meta (o plano focal) al mismo tiempo.

Debido a que el dispositivo controla qué tan rápido se propagan las diferentes longitudes de onda y cuándo golpean el plano de enfoque, convierte efectivamente el rayo láser continuo de un solo color en una fuente de pulso de banda ancha y alta intensidad capaz de producir ráfagas ultrarrápidas de 520 femtosegundos.

El dispositivo es altamente sintonizable, está integrado en un chip de 2 x 4 mm y requiere mucha menos energía que los dispositivos de escritorio debido a las propiedades electroópticas del niobato de litio.

«Hemos demostrado que la fotónica integrada ofrece simultáneamente mejoras en el consumo de energía y el tamaño», dijo Mengjie Yu, ex investigadora postdoctoral en SEAS y primera autora del estudio. “No hay compromisos aquí; Ahorras energía y espacio al mismo tiempo. Simplemente obtiene un mejor rendimiento a medida que el dispositivo se vuelve más pequeño y más integrado. Imagínese: en el futuro podemos llevar láseres pulsados ​​de femtosegundos en nuestros bolsillos para sentir cómo está la fruta fresca, o rastrear nuestro bienestar en tiempo real, o tomar medidas de distancia en nuestros automóviles».

Yu es actualmente profesor asistente en la Universidad del Sur de California.

A continuación, el equipo quiere explorar algunas de las aplicaciones tanto del láser como de la tecnología de lentes de tiempo, incluidos los sistemas de lentes como los telescopios, así como el procesamiento ultrarrápido de señales y las redes cuánticas.

La Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard ha protegido la propiedad intelectual resultante de las innovaciones de Loncar Lab en los sistemas de niobato de litio. Loncar es cofundador de HyperLight Corporation, una start-up establecida para comercializar chips fotónicos integrados basados ​​en ciertas innovaciones desarrolladas en su laboratorio.

La investigación fue una colaboración entre Harvard, HyperLight, la Universidad de Columbia y Freedom Photonics.

Los coautores del artículo son David Barton, Rebecca Cheng, Christian Reimer, Prashanta Kharel, Lingyan He, Linbo Shao, Di Zhu, Yaowen Hu, Hannah R. Grant, Leif Johansson, Yoshitomo Okawachi, Alexander L. Gaeta y Mian Zhang. .

Fue financiado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (HR0011-20-C-0137), la Oficina de Investigación del Ejército (W911NF2010248), la Oficina de Investigación Naval (N00014-18-C-1043) y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea. Investigación (FA9550-19-1-0376 y FA9550-20-1-0297).

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