Ny kilde fundet til ultrakorte lysudbrud

Selvom det er afgørende for forskellige applikationer, såsom skæring og svejsning, kirurgi og transmission af bits gennem optisk fiber, lasere har nogle begrænsninger - nemlig de producerer kun lys i begrænsede bølgelængdeområder. Nu, forskere fra Ginzton Lab ved Stanford University har ændret lignende lyskilder, kaldet optiske parametriske oscillatorer, at overvinde denne forhindring.

Indtil nu, disse mindre kendte lyskilder har for det meste været begrænset til laboratoriet, fordi deres opsætning efterlader lidt plads til fejl-selv en mindre jostle kan slå en ud af justeringen. Imidlertid, efter en kontraintuitiv beslutning, forskerne kan have fundet en løsning på denne svaghed, der kan føre til mindre, billigere og mere effektive kilder til lysimpulser.

Deres arbejde, udgivet 1. februar i Fysisk gennemgangsbreve , demonstrerer en ny måde at producere femtosekundpulser - pulser målt med kvadrilliondeler af et sekund - i ønskelige bølgelængdeområder ved hjælp af denne lyskilde. Teknologien kan potentielt føre til bedre påvisning af forurenende stoffer og sygdomme ved blot at scanne luften eller andres ånde.

En kontraintuitiv innovation

Lyskilden, som disse forskere studerer, består af et indledende trin, hvor lysimpulser fra en traditionel laser føres gennem en speciel krystal og omdannes til et bølgelængdeområde, der er svært tilgængeligt med konventionelle lasere. Derefter, en række spejle hopper lysimpulserne rundt i en feedback -loop. Når denne feedback -loop er synkroniseret med de indkommende laserpulser, de nyligt konverterede pulser kombineres til at danne et stadig stærkere output.

Traditionelt set mennesker kunne ikke konvertere meget af de indledende lyspulser til det ønskede output med en sådan modstand. Men for at være effektiv i virkelige applikationer, gruppen måtte stige den procentdel.

"Vi havde brug for højere konverteringseffektivitet for at bevise, at det var en kilde værd at studere, "sagde Alireza Marandi, en medarbejder i Ginzton Lab. "Så vi sagde bare, 'OKAY, hvad er de knapper, vi har i laboratoriet? ' Vi vendte en, der fik spejlene til at reflektere mindre lys, hvilket var i strid med standardretningslinjerne, og konverteringseffektiviteten fordoblet. "Forskerne offentliggjorde deres første eksperimentelle resultater for to år siden i Optica.

At skrue op for strømmen i et konventionelt design resulterer normalt i to uønskede resultater:Impulserne forlænges, og konverteringseffektiviteten falder. Men i det nye design, hvor forskerne reducerede deres spejles refleksivitet betydeligt, det modsatte skete.

"Vi tænkte på dette regime baseret på de standardiserede designretningslinjer, men den adfærd, vi ville se i laboratoriet, var anderledes, "sagde Marc Jankowski, hovedforfatter af papiret og en kandidatstuderende i Ginzton Lab. "Vi oplevede en forbedring af ydeevnen, og vi kunne ikke forklare det. "

Efter flere simuleringer og laboratorieforsøg, gruppen fandt ud af, at nøglen ikke bare gjorde spejlene mindre reflekterende, men også forlængede feedback -sløjfen. Dette forlængede den tid, det tog for lyspulserne at fuldføre deres loop og burde have bremset dem for meget. Men den lavere refleksivitet, kombineret med tidsforsinkelsen, fik pulser til at interagere på uventede måder, som trak dem tilbage i synkronisering med deres indkommende partnere.

Denne uventede synkronisering mere end fordoblede båndbredden af ​​output, hvilket betyder, at det kan udsende et bredere spænd af bølgelængder inden for det område, der er svært tilgængeligt med konventionelle lasere. Til applikationer som at detektere molekyler i luften eller i en persons ånde, lyskilder med større båndbredde kan løse mere adskilte molekyler. I princippet, de pulser, dette system producerer, kan komprimeres til så korte som 18 femtosekunder, som kan bruges til at studere molekylers adfærd.

Beslutningen om at reducere spejlreflektiviteten havde den overraskende konsekvens af at gøre en tidligere nusset enhed mere robust, mere effektiv og bedre til at producere ultrakorte lysimpulser i bølgelængdeområder, der er vanskelige at få adgang til med traditionelle lasere.

At komme ud af laboratoriet

Den næste udfordring er at designe enheden, så den passer til en håndflade.

"Du taler med mennesker, der har arbejdet med denne teknologi i de sidste 50 år, og de er meget skeptiske over for dens virkelige applikationer, fordi de tænker på disse resonatorer som et meget højt finesse-arrangement, der er svært at justere og kræver meget vedligeholdelse, "sagde Marandi, som også er medforfatter af papiret. "Men i denne driftsordning er disse krav super-afslappede, og kilden er super-pålidelig og behøver ikke den omfattende pleje, der kræves af standardsystemer. "

Denne nyfundne designfleksibilitet gør det lettere at miniaturisere sådanne systemer på en chip, hvilket kunne føre til mange nye applikationer til påvisning af molekyler og fjernmåling.

"Nogle gange omformer du fuldstændigt din forståelse af systemer, du tror, ​​du kender, "Sagde Jankowski." Det ændrer din måde at interagere med dem, hvordan du bygger dem, hvordan du designer dem, og hvor nyttige de er. Vi har arbejdet med disse kilder i årevis, og nu har vi fået nogle spor, der virkelig vil hjælpe med at bringe dem ud af laboratoriet og ud i verden. "