Modulador universal de luz: arquitectura láser revolucionaria para control preciso de la materia

• Investigadores desarrollan una nueva arquitectura láser llamada modulador universal de luz para sondear y controlar la materia.
• Podría ser un punto de inflexión para todas las aplicaciones fotónicas importantes que requieren alta potencia.

Los láseres se usan para varios propósitos, incluyendo alinear materiales, señalar objetos durante una presentación, y por médicos para procedimientos cosméticos y quirúrgicos. Numerosas cosas que ve en su vida diaria se basan en tecnologías láser, como escáneres de código de barras, unidades de disco óptico, fibra óptica, corte y soldadura de materiales, displays de iluminación láser en entretenimiento, y más.

Los láseres tienen capacidades increíbles para impulsar, controlar y sondear la materia con precisión usando diferentes metodologías. Aunque funcionan mayormente entre bastidores, los láseres son la columna vertebral de la ciencia y tecnología avanzadas. En 2018, el Premio Nobel de Física se otorgó a una tecnología láser revolucionaria, las Pinzas Ópticas, una técnica para atrapar nanopartículas entre dos haces láser.

Recientemente, investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC y la Universidad de Stanford desarrollaron una nueva arquitectura láser para sondear y controlar la materia. La llaman el modulador universal de luz.

El láser puede incorporar estructuras sofisticadas

Dado que el láser emite luz coherentemente, puede encarnar una estructura mucho más compleja que cualquier otra fuente de luz en términos de intensidad y distribución electromagnética. Por ejemplo, podría tener distribuciones de intensidad tridimensionales únicas (un colador óptico o un cono de gofre), o haces vectoriales cilíndricos.

Debido a estas capacidades, el modulador universal de luz tiene el potencial de abrir nuevas puertas para aplicaciones avanzadas de fotónica. Actualmente, no hay muchos métodos fiables disponibles para producir estructuras de luz complejas, por lo que explotar la capacidad de programar o diseñar tales estructuras es muy difícil.

Referencia: The Optical Society

Esto solo se hace con instrumentos externos como moduladores de luz espacial usados en proyectores. Sin embargo, estos instrumentos vienen con limitaciones de potencia pico y potencia media, y pueden estallar fácilmente, sin alcanzar aplicaciones que requieren niveles de potencia significativos.

La nueva arquitectura láser evade esta limitación de potencia sin afectar la capacidad de producir estructuras de luz arbitrarias. Los investigadores desarrollaron una funcionalidad innovadora para diseñar haces dentro de la propia arquitectura láser. Esto cumple los dos requisitos principales: estructura de luz y escalado de potencia.

Modelado de haz con nueva arquitectura láser | Greg Stewart / SLAC

Han usado haces compuestos (composite beamlets) para construir estos pulsos de luz programables. Puede pensarse como un haz láser hecho de varios haces más cortos tipo panal, cada uno de los cuales puede controlarse independientemente, a pesar de que todos son coherentes entre sí.

Pueden «revelar» información entre sí, incluyendo su estado y relación respectiva. Si todos los haces están sincronizados, juntos pueden producir cualquier estructura.

Aplicaciones

El modulador universal de luz es extremadamente valioso dentro de sistemas ultracortos (en escalas de femtosegundos e incluso menores): puede dar lugar a una forma totalmente nueva de pensar sobre cómo las luces con estructuras sofisticadas pueden usarse para impulsar esfuerzos tecnológicos. Podría ser un punto de inflexión para todas las aplicaciones fotónicas importantes que requieren alta potencia, micro-nano mecanizado, atrapamiento óptico, telecomunicaciones de fibra óptica y ciencias de protones ultarrápidas.

Los investigadores ahora intentan utilizar estas fuentes de luz para controlar haces de electrones que viajan a la velocidad de la luz. Esto les ayudaría a crear nuevos tipos de fuentes de rayos X y electrones, e imprimir la estructura de luz sobre los rayos X y electrones.

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También planean explorar numerosos esfuerzos paralelos. Lo primero es integrar más haces compuestos y actualizar el modulador a potencia mucho mayor. Segundo, examinarán cómo convertir haces compuestos de femtosegundos en otras longitudes de onda usando métodos de conversión no lineal, lo que produciría luz estructurada con composición hiperespectral y auto-sincronización natural, o multi-color.