Graphene Flagship-onderzoekers hebben een optische vezellaser ontwikkeld die pulsen uitzendt met een duur die gelijk is aan slechts enkele golflengten van het gebruikte licht. Dit snelste apparaat ooit op basis van grafeen is ideaal voor gebruik in ultrasnelle spectroscopie, en in chirurgische lasers die schade door hitte aan levend weefsel voorkomen.

Ultrasnel en ultrakort

Geavanceerde fotonica-toepassingen zoals hogesnelheidsspectroscopie vereisen ultrakorte pulsen om voorbijgaande fysieke verschijnselen in de bestudeerde materialen vast te leggen. In praktijk, dat betekent laserpulsen in het femtoseconde (10-15s) bereik. Een voorbeeld van een dergelijke toepassing is pomp-sonde spectroscopie van fotochemische relaxatieprocessen.

"Wanneer licht wordt ontworpen om in ultrakorte pulsen te reizen, het is belangrijk om het golfkarakter ervan te begrijpen, " zegt Daniël Popa, hoofd van de fotonicagroep van het Cambridge Graphene Centre, en leider van zijn op grafeen gebaseerde laseronderzoeksproject. "Om licht te laten voortplanten zoals een mechanische golf op een gespannen koord, de kortst mogelijke puls wordt bepaald door een enkele golfoscillatie."

De tijdsresolutie wordt beperkt door de lengte van de gebruikte laserpuls. Hoe korter de pols, hoe hoger de spectroscopische resolutie, met de hoogst mogelijke resolutie gedefinieerd door de cycluslengte van de bepaalde lichtfrequentie die wordt gebruikt. In de zichtbare en nabij-infrarode regimes, waarin de meeste ultrasnelle lasers werken, de uiteindelijke pulsduur ligt tussen de 2 en 5 femtoseconden. Kortere pulsen vereisen kortere golflengten.

Theoretische grenzen terzijde, pulsen zo kort als twee cycli kunnen worden gegenereerd uit laserholtes met behulp van een techniek die bekend staat als passieve modusvergrendeling. Met titanium-saffierlasers, gebruikelijk in fotonica-laboratoria over de hele wereld, pulsen met een lengte van 5 femtoseconden kunnen worden geproduceerd bij een golflengte van 800 nanometer, overeenkomend met minder dan twee cycli. Deze pulsen zijn niet afstembaar, echter. Afstembare pulsen met een paar cycli kunnen worden bereikt door gebruik te maken van niet-lineaire effecten in optische parametrische versterkers, maar de praktische regelingen zijn vaak complex en duur.

Fiberlasers zijn aantrekkelijke platforms voor het genereren van ultrakorte pulsen, door hun eenvoudige, compacte en kosteneffectieve ontwerpen, hun efficiënte warmteafvoer, en een bewerking zonder uitlijning waarvoor geen omvangrijke optische opstellingen nodig zijn. Met op vezels gebaseerde oscillatoren, ultrakorte pulsen kunnen worden gegenereerd door passieve modusvergrendeling, waarvoor een niet-lineaire component nodig is die bekend staat als een verzadigbare absorber. Grafeen heeft de ideale fysische eigenschappen om zo'n verzadigbare absorber te maken.

Een op grafeen gebaseerde all-fibre laser voor lichtpulsen met een paar cycli

Op grafeen gebaseerde lasers met modusvergrendeling zijn eerder aangetoond, maar het is het gebruik van dit nieuwe tweedimensionale materiaal in een compacte, volledig vezelopstelling die het werk van Popa en zijn collega's kenmerkt. Hun vooruitgang wordt geschetst in een artikel dat onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd Technische Natuurkunde Brieven , waarvan de eerste auteur doctoraalstudent David Purdie is.

Met fiberlasers, femtoseconde-pulsen worden meestal gegenereerd door middel van soliton-modusvergrendeling. Een soliton is een zelfversterkende solitaire golf die zijn vorm behoudt zonder vervorming terwijl hij met constante snelheid langs een golfgeleider zoals een optische vezel reist. Solitonen zijn het resultaat van dispersieve en niet-lineaire effecten die elkaar opheffen in het golfgeleidermedium, waardoor een stabiele pulsomhullende zich kan voortplanten.

Alle-vezelformaten hebben de voorkeur in termen van kosten, compactheid en robuustheid, en de strategie hier is om een ​​holte te gebruiken op basis van afwisselende segmenten van positieve en negatieve dispersievezels die leiden tot periodieke verbreding en compressie van de pulsen.

De sleutel is om de puls uit zo'n holte te halen wanneer de duur minimaal is, en piekvermogen dus maximaal. Vanwege het hoge piekvermogen van de geëxtraheerde puls, nieuwe frequentiecomponenten kunnen worden gegenereerd door niet-lineaire optische effecten binnen een externe vezellengte, en deze zijn van cruciaal belang als het gaat om het verder verminderen van de pulslengte. Dit is gebaseerd op de wiskundige relatie in golven tussen frequentie- en tijddomeinen die bekend staat als een Fourier-transformatie. Om deze transformatie in fysieke vorm te realiseren, de onderzoekers ontwierpen een dispersieve vertragingslijn die de nieuw gecreëerde frequentiecomponenten in een enkele puls vouwt.

De opstelling van de Graphene Flagship-onderzoekers was alleen gebaseerd op standaard telecommunicatieapparatuur, met een verzadigbare absorber op basis van een composiet van grafeen en polyvinylalcohol (PVA) vervaardigd door goedkope oplossingsverwerking, met de grafeenvlokken geëxfolieerd van bulkgrafiet door ultrasoon roeren van de oplossing. Verdamping laat een 50 micron dik grafeen-PVA-composiet achter, die vervolgens wordt ingeklemd tussen glasvezelconnectoren.

Met deze opstelling, Purdie en zijn collega's waren in staat om 29 femtoseconde pulsen te genereren, wat overeenkomt met minder dan zes cycli bij een golflengte van 1,5 micron.

Compensatie voor niet-lineaire en dispersieve effecten van hogere orde zou moeten leiden tot een kortere pulsduur, en het gebruik van een hogere vermogensdiode, of een dubbelgepompte configuratie, kan resulteren in pulsen met een hogere bandbreedte en een groter uitgangsvermogen. Eindelijk, de toevoeging van fotonische kristalvezels zou in principe de opwekking van even korte laserpulsen op andere golflengten mogelijk maken.

"Wat echt opmerkelijk is aan dit project, is het gemak van het combineren van grafeen met kant-en-klare optische vezels in een zeer compact formaat, " zegt Popa. "Op deze manier, we kunnen lichtpulsen genereren die maar een paar cycli duren, of een paar miljoenste van een miljardste van een seconde."