¿Qué color de láser te gusta?

Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y de la Universidad de Maryland han desarrollado una tecnología de microchip que puede convertir la luz láser invisible del infrarrojo cercano, en cualquiera de una variedad de colores láser visibles, incluyendo rojo, naranja, amarillo y verde. Su trabajo proporciona un nuevo enfoque para generar luz láser en microchips integrados.

La técnica tiene aplicaciones en la cronometría de precisión y en la ciencia de la información cuántica, que a menudo se basan en sistemas atómicos o de estado sólido que deben ser alimentados con luz láser visible a longitudes de onda especificadas con precisión. El método sugiere que se puede acceder a una amplia gama de esas longitudes de onda utilizando una única plataforma a pequeña escala, en lugar de necesitar voluminosos láseres de sobremesa o una serie de materiales semiconductores diferentes. La construcción de esos láseres en microchips también proporciona una forma de bajo costo de integrar láseres en los circuitos ópticos en miniatura necesarios para los relojes ópticos y los sistemas de comunicación cuántica. El estudio se publicó en la revista Optica.

Los sistemas atómicos que constituyen el corazón de los relojes experimentales más precisos y exactos y los nuevos instrumentos para la ciencia de la información cuántica suelen depender de la luz láser visible (óptica) de alta frecuencia para funcionar, a diferencia de las microondas de frecuencia mucho más baja que se utilizan para fijar la hora oficial en todo el mundo.

Los científicos están desarrollando ahora tecnologías de sistemas ópticos atómicos que son compactos y funcionan a baja potencia para que puedan ser utilizados fuera del laboratorio. Si bien se necesitan muchos elementos diferentes para hacerlos realidad, un ingrediente clave es el acceso a sistemas láser de luz visible que sean pequeños, ligeros y que funcionen a baja potencia.

Una serie de resonadores nanofotónicos, cada uno ligeramente diferente en su geometría, genera diferentes colores de luz visible a partir de un láser de infrarrojo cercano. (Foto: NIST)

Aunque los investigadores han hecho grandes progresos en la creación de láseres compactos de alto rendimiento en las longitudes de onda del infrarrojo cercano utilizados en las telecomunicaciones, ha sido difícil lograr un rendimiento equivalente en las longitudes de onda visibles. Algunos científicos han hecho progresos empleando materiales semiconductores para generar láseres compactos de luz visible. En cambio, Xiyuan Lu, Kartik Srinivasan y sus colegas del NIST y de la Universidad de Maryland en College Park adoptaron un enfoque diferente, centrándose en un material llamado nitruro de silicio, que tiene una pronunciada respuesta no lineal a la luz.

Los materiales como el nitruro de silicio tienen una propiedad especial: Si la luz entrante tiene una intensidad suficientemente alta, el color de la luz saliente no necesariamente coincide con el color de la luz que entró. Esto se debe a que cuando los electrones unidos en un material óptico no lineal interactúan con la luz incidente de alta intensidad, los electrones vuelven a irradiar esa luz a frecuencias, o colores, que difieren de los de la luz incidente. Este efecto contrasta con la experiencia diaria de ver la luz rebotar en un espejo o refractarse a través de una lente. En esos casos, el color de la luz siempre permanece igual.

Lu y sus colegas emplearon un proceso conocido como oscilación óptica paramétrica de tercer orden (OPO), en el que el material no lineal convierte la luz incidente en el infrarrojo cercano en dos frecuencias diferentes. Una de las frecuencias es más alta que la de la luz incidente, situándola en el rango visible, y la otra es más baja en frecuencia, extendiéndose más profundamente en el infrarrojo. Aunque los investigadores han empleado la OPO durante años para crear diferentes colores de luz en grandes instrumentos ópticos de mesa, el nuevo estudio dirigido por el NIST es el primero en aplicar este efecto para producir longitudes de onda de luz visible particulares en un microchip que tiene el potencial de ser producido en masa.

Para miniaturizar el método OPO, los investigadores dirigieron la luz láser del infrarrojo cercano a un microrresonador, un dispositivo en forma de anillo de menos de una millonésima de metro cuadrado de superficie y fabricado en un chip de silicio. La luz dentro de este microrresonador circula unas 5.000 veces antes de disiparse, construyendo una intensidad lo suficientemente alta como para acceder al régimen no lineal donde es convertida en las dos diferentes frecuencias de salida.

Para crear una multitud de colores visibles e infrarrojos, el equipo fabricó docenas de microrresonadores, cada uno con dimensiones ligeramente diferentes, en cada microchip. Los investigadores eligieron cuidadosamente estas dimensiones para que los diferentes microrresonadores produjeran luz de salida de diferentes colores. El equipo demostró que esta estrategia permitía que un solo láser de infrarrojo cercano que variaba en longitud de onda en una cantidad relativamente pequeña generara una amplia gama de colores específicos de luz visible e infrarroja.

En particular, aunque el láser de entrada funciona en un estrecho rango de longitudes de onda del infrarrojo cercano (de 780 nanómetros a 790 nm), el sistema de microchips generó colores de luz visible que van del verde al rojo (560 nm a 760 nm) y longitudes de onda del infrarrojo que van de 800 nm a 1.200 nm.

"El beneficio de nuestro método es que se puede acceder a cualquiera de estas longitudes de onda con solo ajustar las dimensiones de nuestros microrresonadores", dijo Srinivasan.

"Aunque es una primera demostración", dijo Lu, "estamos entusiasmados con la posibilidad de combinar esta técnica de óptica no lineal con la bien establecida tecnología láser de infrarrojo cercano para crear nuevos tipos de fuentes de luz en chips que pueden ser utilizadas en una variedad de aplicaciones". (Fuente: NCYT Amazings)