Wetenschappers hebben een nieuw type laser ontwikkeld die in zeer korte tijd grote hoeveelheden energie kan leveren. met mogelijke toepassingen in oog- en hartchirurgie of de engineering van delicate materialen.

De directeur van het University of Sydney Institute of Photonics and Optical Science, prof.dr. Martijn de Sterke, zei:"Deze laser heeft de eigenschap dat naarmate de pulsduur afneemt tot minder dan een biljoenste van een seconde, zijn energie zou door het dak kunnen gaan.

"Dit maakt ze ideale kandidaten voor de verwerking van materialen die korte, krachtige pulsen. Een toepassing kan zijn in cornea-chirurgie, die berust op het voorzichtig verwijderen van materiaal uit het oog. Dit vereist sterke, korte lichtpulsen die niet opwarmen en het oppervlak beschadigen."

Het onderzoek is vandaag gepubliceerd in Natuurfotonica .

De wetenschappers hebben dit opmerkelijke resultaat bereikt door terug te keren naar een eenvoudige lasertechnologie die gebruikelijk is in telecommunicatie, metrologie en spectroscopie. Deze lasers gebruiken een effect dat bekend staat als solitongolven, dat zijn lichtgolven die hun vorm over lange afstanden behouden.

Solitonen werden voor het eerst geïdentificeerd in het begin van de 19e eeuw, niet in licht maar in watergolven in de industriële kanalen van Engeland.

"Het feit dat solitongolven in licht hun vorm behouden, betekent dat ze uitstekend geschikt zijn voor een breed scala aan toepassingen, inclusief telecommunicatie en spectrometrie, " zei hoofdauteur Dr. Antoine Runge van de School of Physics.

"Echter, terwijl lasers die deze solitonen produceren eenvoudig te maken zijn, ze pakken niet veel punch in. Er is een heel ander - en duur - fysiek systeem nodig om de energierijke optische pulsen te produceren die bij de productie worden gebruikt."

Co-auteur Dr. Andrea Blanco-Redondo, Hoofd Silicon Photonics bij Nokia Bell Labs in de VS, zei:"Soliton-lasers zijn de meest eenvoudige, kosteneffectieve en robuuste manier om deze korte bursts te bereiken. Echter, tot nu, conventionele soliton-lasers konden niet genoeg energie leveren.

"Onze resultaten hebben het potentieel om solitonlasers bruikbaar te maken voor biomedische toepassingen, " zei Dr. Blanco-Redondo, die eerder aan het Nano Institute van de Universiteit van Sydney werkte.

Dit onderzoek bouwt voort op eerder werk van het team van het University of Sydney Institute for Photonics and Optical Science, die in 2016 zijn ontdekking van pure-quartic solitonen publiceerde.

Een nieuwe wet in laserfysica

In een normale solitonlaser, de energie van licht is omgekeerd evenredig met de pulsduur, aangetoond door de vergelijking E =1/τ. Als je de pulstijd van het licht halveert, je krijgt twee keer zoveel energie.

Met behulp van quartische solitonen, de energie van licht is omgekeerd evenredig met de derde macht van de pulsduur, of E =1/τ ³ . Dit betekent dat als uw polsslag wordt gehalveerd, de energie die het in die tijd levert wordt vermenigvuldigd met een factor acht.

"Het is deze demonstratie van een nieuwe wet in laserfysica die het belangrijkst is in ons onderzoek, Dr. Runge zei. "We hebben aangetoond dat E =1/τ ³ en we hopen dat dit zal veranderen hoe lasers in de toekomst kunnen worden toegepast."

Door dit proof-of-principle vast te stellen, kan het team krachtigere soliton-lasers maken.

Dr. Blanco-Redondo zei:"In dit onderzoek produceerden we pulsen die zo kort waren als een biljoenste van een seconde, maar we hebben plannen om veel korter te worden dan dat."

"Ons volgende doel is om femtoseconde-pulsen te produceren - een quadriljoenste van een seconde, "Zei Dr. Runge. "Dit betekent ultrakorte laserpulsen met honderden kilowatts piekvermogen."

Professor De Sterke zei:"We hopen dat dit type laser een nieuwe manier kan openen om laserlicht toe te passen wanneer we hoge piekenergie nodig hebben, maar waar het basismateriaal niet beschadigd is."