NISTs elektro-optiske laser pulserer 100 gange hurtigere end normalt ultrahurtigt lys

Fysikere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har brugt almindelig elektronik til at bygge en laser, der pulserer 100 gange oftere end konventionelle ultrahurtige lasere. Fremskridtet kunne udvide fordelene ved ultrahurtig videnskab til nye applikationer såsom billeddannelse af biologiske materialer i realtid.

Teknologien til fremstilling af elektro-optiske lasere har eksisteret i fem årtier, og ideen virker dragende enkel. Men indtil nu har forskere ikke været i stand til elektronisk at skifte lys for at lave ultrahurtige pulser og eliminere elektronisk støj, eller interferens.

Som beskrevet i udgaven af ​​28. september af Videnskab , NIST-forskere udviklede en filtreringsmetode til at reducere den varmeinducerede interferens, der ellers ville ødelægge konsistensen af ​​elektronisk syntetiseret lys.

"Vi tæmmede lyset med en aluminiumsdåse, " sagde projektleder Scott Papp, refererer til "hulrummet", hvori de elektroniske signaler stabiliseres og filtreres. Mens signalerne hopper frem og tilbage inde i noget som en sodavandsdåse, faste bølger kommer frem ved de stærkeste frekvenser og blokerer eller filtrerer andre frekvenser fra.

Ultrahurtig refererer til begivenheder, der varer fra picosekunder (billiontedele af et sekund) til femtosekunder (kvadrilliontedele af et sekund). Dette er hurtigere end nanoskala-regimet, introduceret til det kulturelle leksikon for nogle år siden med området nanoteknologi (nanosekunder er milliardtedele af et sekund).

Den konventionelle kilde til ultrahurtigt lys er en optisk frekvenskam, en præcis "lineal" for lys. Kamme er normalt lavet med sofistikerede "tilstandslåste" lasere, som danner pulser fra mange forskellige farver af lysbølger, der overlapper hinanden, skabe forbindelser mellem optiske og mikrobølgefrekvenser. Interoperation af optiske og mikrobølgesignaler driver de seneste fremskridt inden for kommunikation, tidtagning og kvanteregistreringssystemer.

I modsætning, NISTs nye elektro-optiske laser pålægger elektroniske mikrobølgevibrationer på en kontinuerlig bølgelaser, der opererer ved optiske frekvenser, effektivt skære pulser ind i lyset.

"I enhver ultrahurtig laser, hver puls varer i, sige, 20 femtosekunder, " sagde hovedforfatter David Carlson. "I tilstandslåste lasere, pulserne kommer ud hvert 10. nanosekund. I vores elektro-optiske laser, pulserne kommer ud hvert 100 picosekunder. Så det er speedup her - ultrahurtige pulser, der kommer 100 gange hurtigere eller mere."

"Kemisk og biologisk billeddannelse er et godt eksempel på applikationerne til denne type laser, " sagde Papp. "Søgning af biologiske prøver med ultrahurtige pulser giver både billeddannelse og kemisk makeup-information. Ved at bruge vores teknologi, denne form for billeddannelse kan ske dramatisk hurtigere. Så, hyperspektral billeddannelse, der i øjeblikket tager et minut, kan ske i realtid."

For at lave den elektro-optiske laser, NIST-forskere starter med en infrarød kontinuerlig bølgelaser og skaber impulser med en oscillator stabiliseret af hulrummet, som giver det, der svarer til en hukommelse for at sikre, at alle impulserne er identiske. Laseren producerer optiske impulser med en mikrobølgehastighed, og hver impuls ledes gennem en mikrochipbølgelederstruktur for at generere mange flere farver i frekvenskammen.

Den elektro-optiske laser tilbyder en hidtil uset hastighed kombineret med nøjagtighed og stabilitet, der kan sammenlignes med den for en mode-låst laser, sagde Papp. Laseren blev konstrueret ved hjælp af kommercielle telekommunikations- og mikrobølgekomponenter, gør systemet meget pålideligt. Kombinationen af ​​pålidelighed og nøjagtighed gør elektrooptiske kamme attraktive til langtidsmålinger af optiske urnetværk eller kommunikations- eller sensorsystemer, hvor data skal indsamles hurtigere, end det er muligt i øjeblikket.