Hoewel essentieel voor uiteenlopende toepassingen, zoals snijden en lassen, chirurgie en het verzenden van bits door optische vezels, lasers hebben enkele beperkingen - namelijk, ze produceren alleen licht in beperkte golflengtebereiken. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het Ginzton Lab van Stanford University hebben vergelijkbare lichtbronnen aangepast, optische parametrische oscillatoren genoemd, om dit obstakel te overwinnen.

Tot nu, deze minder bekende lichtbronnen zijn meestal beperkt tot het laboratorium omdat hun opstelling weinig ruimte laat voor fouten - zelfs een klein gedrang kan een uitlijning doen uitvallen. Echter, na een contra-intuïtieve beslissing, hebben de onderzoekers mogelijk een oplossing gevonden voor deze zwakte die zou kunnen leiden tot kleinere, goedkopere en efficiëntere bronnen van lichtpulsen.

Hun werk, gepubliceerd op 1 februari in Fysieke beoordelingsbrieven , demonstreert een nieuwe manier om femtoseconde-pulsen te produceren - pulsen gemeten in quadriljoensten van een seconde - in gewenste golflengtebereiken met behulp van deze lichtbron. De technologie kan mogelijk leiden tot een betere detectie van verontreinigende stoffen en ziekten door alleen de lucht of iemands adem te scannen.

Een contra-intuïtieve innovatie

De lichtbron die deze onderzoekers bestuderen, bestaat uit een eerste stap waarbij lichtpulsen van een traditionele laser door een speciaal kristal worden geleid en worden omgezet in een golflengtebereik dat moeilijk toegankelijk is met conventionele lasers. Vervolgens, een reeks spiegels kaatst de lichtpulsen rond in een feedbacklus. Wanneer deze feedbacklus wordt gesynchroniseerd met de inkomende laserpulsen, de nieuw geconverteerde pulsen vormen samen een steeds sterkere output.

traditioneel, mensen konden met zo'n apparaat niet veel van de aanvankelijke lichtpulsen omzetten in de gewenste output. Maar om effectief te zijn in toepassingen in de echte wereld, de groep moest dat percentage opkrikken.

"We hadden een hogere conversie-efficiëntie nodig om te bewijzen dat het een bron was die het bestuderen waard was, " zei Alireza Marandi, een medewerker in het Ginzton Lab. "Dus we zeiden gewoon:'OKE, wat zijn de knoppen die we in het lab hebben?' We hebben er een gemaakt waardoor de spiegels minder licht weerkaatsen, wat in strijd was met de standaardrichtlijnen, en de conversie-efficiëntie verdubbeld." De onderzoekers publiceerden hun eerste experimentele resultaten twee jaar geleden in Optica.

Het opvoeren van het vermogen in een conventioneel ontwerp resulteert meestal in twee ongewenste resultaten:de pulsen worden langer en de conversie-efficiëntie daalt. Maar in het nieuwe ontwerp waar de onderzoekers de reflectiviteit van hun spiegels aanzienlijk verminderden, het tegenovergestelde gebeurde.

"We dachten aan dit regime op basis van de standaard ontwerprichtlijnen, maar het gedrag dat we in het lab zouden zien was anders, " zei Marc Jankowski, hoofdauteur van het artikel en een afgestudeerde student in het Ginzton Lab. "We zagen een verbetering in de prestaties, en we konden het niet uitleggen."

Na meer simulaties en laboratoriumexperimenten, de groep ontdekte dat de sleutel niet alleen was om de spiegels minder reflecterend te maken, maar ook om de feedbacklus te verlengen. Dit verlengde de tijd die de lichtpulsen nodig hadden om hun lus te voltooien en had ze te veel moeten vertragen. Maar de lagere reflectiviteit, gecombineerd met de vertraging, zorgde ervoor dat de pulsen op onverwachte manieren op elkaar inwerkten, waardoor ze weer synchroon liepen met hun inkomende partners.

Deze onverwachte synchronisatie verdubbelde meer dan de bandbreedte van de output, wat betekent dat het een breder bereik van golflengten kan uitzenden binnen het bereik dat moeilijk toegankelijk is met conventionele lasers. Voor toepassingen zoals het detecteren van moleculen in de lucht of in de adem van een persoon, lichtbronnen met een grotere bandbreedte kunnen meer verschillende moleculen oplossen. In principe, de pulsen die dit systeem produceert kunnen worden gecomprimeerd tot 18 femtoseconden, waarmee het gedrag van moleculen kan worden bestudeerd.

De beslissing om de spiegelreflectie te verminderen had het verrassende gevolg dat een voorheen pietluttig apparaat robuuster werd, efficiënter en beter in het produceren van ultrakorte lichtpulsen in golflengtebereiken die moeilijk toegankelijk zijn met traditionele lasers.

Uit het lab komen

De volgende uitdaging is om het apparaat zo te ontwerpen dat het in de palm van een hand past.

"Je praat met mensen die de afgelopen 50 jaar met deze technologie hebben gewerkt en ze zijn erg sceptisch over de echte toepassingen ervan, omdat ze deze resonatoren zien als een zeer verfijnde opstelling die moeilijk op één lijn te brengen is en veel van onderhoud, " zei Marandi, die ook co-auteur is van het artikel. "Maar in dit regime van operatie zijn deze vereisten super-ontspannen, en de bron is super betrouwbaar en heeft niet de uitgebreide zorg nodig die standaardsystemen vereisen."

Deze nieuwe ontwerpflexibiliteit maakt het eenvoudiger om dergelijke systemen op een chip te miniaturiseren, wat zou kunnen leiden tot veel nieuwe toepassingen voor het detecteren van moleculen en remote sensing.

"Soms hervorm je volledig je begrip van systemen die je denkt te kennen, "Zei Jankowski. "Dat verandert hoe je met ze omgaat, hoe je ze bouwt, hoe je ze ontwerpt en hoe nuttig ze zijn. We hebben jaren aan deze bronnen gewerkt en nu hebben we enkele aanwijzingen die echt zullen helpen om ze uit het lab en in de wereld te krijgen."