Destellos de luz ultracortos, separados solo por cuadrillonésimas de segundo, combinados con precisión y rapidez

Los solitones ultracortos se superponen y producen patrones de interferencia espectral: la espectroscopia en tiempo real resuelve su dinámica rápida y rastrea el cambio de moléculas de solitón en un láser de fibra de femtosegundos. La imagen muestra sucesivos espectros experimentales registrados durante un proceso de conmutación. Crédito: Cortesía de Moritz B. Heindl
Los solitones ultracortos se superponen y producen patrones de interferencia espectral: la espectroscopia en tiempo real resuelve su dinámica rápida y rastrea el cambio de moléculas de solitón en un láser de fibra de femtosegundos. La imagen muestra sucesivos espectros experimentales registrados durante un proceso de conmutación. Crédito: Cortesía de Moritz B. Heindl

Los destellos ultracortos de luz que duran menos de una billonésima de segundo están creciendo rápidamente en importancia tecnológica. 

En las fuentes láser, se pueden crear pares y grupos de destellos de luz en lugar de destellos individuales. 

Al igual que los átomos unidos químicamente en una molécula, están acoplados entre sí y sus cortos intervalos temporales pueden poseer una estabilidad notable.

Investigadores de las universidades de Bayreuth y Constanza han revelado una causa para el acoplamiento estable de los destellos de luz ultracortos y han encontrado una manera de controlar su espaciamiento de manera muy precisa y rápida.

Los destellos de luz más cortos que una billonésima de segundo también se denominan pulsos de femtosegundos. 

Hoy en día, se utilizan para investigar materiales energéticos, en la fabricación 3D de componentes o como bisturíes de precisión en medicina. 

En los láseres, estos destellos se crean como solitones, paquetes estables de ondas de luz.

Los hallazgos sobre su acoplamiento que ahora se han publicado se obtuvieron en un resonador láser. 

Contiene un anillo de fibras de vidrio que permite que los solitones circulen sin cesar. 

En tales sistemas, a menudo se observan destellos de femtosegundos acoplados, las llamadas moléculas de solitón. 

Mediante el uso de espectroscopía en tiempo real de alta resolución, el equipo de investigación logró rastrear la dinámica de dos flashes acoplados en tiempo real durante muchos cientos de miles de ondas.

Con base en estos datos, los científicos pudieron demostrar que son los reflejos ópticos dentro del resonador láser los que acoplan los solitones individuales en el tiempo y el espacio. 

Las distancias de enlace podrían predecirse sobre la base de las diferencias de tiempo de tránsito dentro del resonador y finalmente podrían ajustarse con precisión mediante el desplazamiento de elementos ópticos.

Además, el nuevo estudio muestra cómo el vínculo entre dos flashes se puede aflojar rápidamente y crear un nuevo vínculo. Ahora es posible, por ejemplo, alternar específicamente entre destellos de luz que ocurren en pares y tienen diferentes intervalos temporales.

Según los resultados de nuestra investigación, ahora es posible cambiar moléculas de solitón con solo presionar un botón. Esto abre nuevas perspectivas para la aplicación técnica de pulsos de femtosegundos, especialmente en espectroscopía y procesamiento de materiales.

Luca Nimmesgern B.Sc., primer autor del estudio y estudiante de maestría en física en la Universidad de Bayreuth.

Los resultados obtenidos en el resonador láser se pueden transferir a una variedad de fuentes de láser de pulso ultracorto. 

En consecuencia, es posible generar destellos de luz acoplados en otros sistemas láser y cambiar sus distancias sin mucho esfuerzo.

Desde los primeros informes de pares de pulsos en láseres de fibra hace más de 20 años, se han propuesto diferentes explicaciones para la estabilidad de las moléculas de solitón en láseres. Numerosas observaciones contradicen los modelos habituales, pero todavía se utilizan en la actualidad. Nuestro nuevo estudio ofrece ahora una explicación precisa compatible con los datos medidos por primera vez. En cierto modo, proporciona una pieza del rompecabezas que hace comprensible una multitud de datos anteriores. Ahora, la física láser compleja se puede utilizar específicamente para generar secuencias de solitones a alta velocidad .

Georg Herink, profesor junior de dinámica ultrarrápida en la Universidad de Bayreuth y coordinador del trabajo de investigación.

El coautor, el Prof. Dr. Alfred Leitenstorfer de la Universidad de Konstanz, cuyo grupo de investigación ha estado desarrollando láseres de fibra como una herramienta para la espectroscopia durante años, agrega: “Basándonos en nuestros nuevos hallazgos, podemos esperar la realización de tecnología versátil aplicaciones “.

En la Universidad de Bayreuth, se inició recientemente un proyecto de investigación DFG con el objetivo de comprender en detalle las interacciones entre solitones ultracortos en fuentes láser y hacerlas utilizables para futuras aplicaciones láser.

Referencia: “Soliton molecules in femtosecond fiber lasers: universal binding mechanism and direct electronic control” by Luca Nimmesgern, Cornelius Beckh, Hannes Kempf, Alfred Leitenstorfer and Georg Herink, 19 October 2021, Optica.
DOI: 10.1364/OPTICA.439905

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