Grafen muliggør ultrahurtige laserimpulser til spektroskopi og biomedicinske applikationer

Graphene Flagship-forskere har udviklet en optisk fiberlaser, der udsender pulser med varigheder svarende til blot nogle få bølgelængder af det anvendte lys. Denne hurtigste enhed nogensinde baseret på grafen vil være ideel til brug i ultrahurtig spektroskopi, og i kirurgiske lasere, der undgår varmeskader på levende væv.

Ultrahurtig og ultrakort

Avancerede fotonikapplikationer såsom højhastighedsspektroskopi kræver ultrakorte pulser for at fange forbigående fysiske fænomener i de undersøgte materialer. I praksis, det betyder laserimpulser i femtosekund (10-15s) området. Et eksempel på en sådan anvendelse er pumpe-probe spektroskopi af fotokemiske afslapningsprocesser.

"Når man konstruerer lys til at rejse i ultrakorte pulser, det er vigtigt at forstå dens bølgenatur, " siger Daniel Popa, leder af fotonikgruppen ved Cambridge Graphene Centre, og leder af dets grafen-baserede laserforskningsprojekt. "For at lyset skal forplante sig som en mekanisk bølge på en strakt snor, den kortest mulige puls er defineret af en enkelt bølgeoscillation."

Tidsopløsningen er begrænset af længden af ​​den anvendte laserimpuls. Jo kortere puls, jo højere den spektroskopiske opløsning, med den højest mulige opløsning defineret af cykluslængden af ​​den pågældende lysfrekvens. I de synlige og nær-infrarøde regimer, hvor de fleste ultrahurtige lasere fungerer, den ultimative pulsvarighed ligger mellem 2 og 5 femtosekunder. Kortere impulser kræver kortere bølgelængder.

Teoretiske grænser til side, impulser så korte som to cyklusser kan genereres fra laserkaviteter ved hjælp af en teknik kendt som passiv mode-locking. Med titanium-safir lasere, almindelig i fotoniklaboratorier verden over, impulser på 5 femtosekunders længde kan produceres ved en bølgelængde på 800 nanometer, svarende til mindre end to cyklusser. Disse pulser kan ikke indstilles, imidlertid. Afstembare få-cyklus-impulser kan opnås ved at udnytte ikke-lineære effekter i optiske parametriske forstærkere, men de praktiske arrangementer har en tendens til at være komplekse og dyre.

Fiberlasere er attraktive platforme til generering af ultrakort puls, på grund af deres enkle, kompakte og omkostningseffektive designs, deres effektive varmeafledning, og en justering-fri drift, der ikke kræver omfangsrige optiske opsætninger. Med fiberbaserede oscillatorer, ultrakorte impulser kan genereres ved passiv tilstandslåsning, som kræver en ikke-lineær komponent kendt som en mættende absorber. Grafen har de ideelle fysiske egenskaber til at lave en sådan mættende absorber.

En grafenbaseret fiberlaser til få-cyklus lysimpulser

Grafen-baserede mode-locked lasere er blevet demonstreret før, men det er brugen af ​​dette nye todimensionelle materiale i en kompakt, fiberopsætning, der markerer Popas og hans kollegers arbejde. Deres fremskridt er skitseret i et papir offentliggjort for nylig i tidsskriftet Anvendt fysik bogstaver , hvis første forfatter er ph.d.-studerende David Purdie.

Med fiberlasere, femtosekund-impulser genereres typisk gennem soliton-mode-låsning. En soliton er en selvforstærkende solitær bølge, der bevarer sin form uden forvrængning, når den bevæger sig med konstant hastighed langs en bølgeleder, såsom en optisk fiber. Solitoner er resultatet af dispersive og ikke-lineære effekter, der ophæver hinanden i bølgeledermediet, derved tillader en stabil pulsindhylling at udbrede sig.

Alle-fiber-formater er at foretrække med hensyn til omkostninger, kompakthed og robusthed, og strategien her er at bruge et hulrum baseret på vekslende segmenter af positive og negative dispersionsfibre, der fører til periodisk udvidelse og kompression af pulserne.

Nøglen er at udtrække pulsen fra et sådant hulrum, når dens varighed er på et minimum, og spidseffekt dermed maksimalt. På grund af den høje spidseffekt af den ekstraherede puls, nye frekvenskomponenter kan genereres gennem ikke-lineære optiske effekter inden for en ekstern fiberlængde, og disse er kritiske, når det kommer til yderligere at reducere pulslængden. Dette er baseret på det matematiske forhold i bølger mellem frekvens- og tidsdomæner kendt som en Fourier-transformation. For at realisere denne transformation i fysisk form, forskerne konstruerede en dispersiv forsinkelseslinje, der folder de nyoprettede frekvenskomponenter til en enkelt puls.

Graphene Flagship-forskernes opsætning var kun baseret på standard telekommunikationsudstyr, med en mættelig absorber baseret på en komposit af grafen og polyvinylalkohol (PVA) fremstillet ved billig opløsningsbehandling, med grafenflagerne eksfolieret fra bulkgrafit ved ultralydsomrøring af opløsningen. Fordampning efterlader en 50 mikron tyk grafen-PVA-komposit, som derefter klemmes mellem fiberstik.

Med denne opsætning, Purdie og hans kolleger var i stand til at generere 29 femtosekunders pulser, hvilket svarer til færre end seks cyklusser ved en bølgelængde på 1,5 mikron.

At kompensere for ikke-lineære og dispersive effekter af højere orden bør føre til en kortere pulslængde, og brugen af ​​en højere effekt diode, eller en dobbeltpumpet konfiguration, kunne resultere i højere båndbreddeimpulser samt øget udgangseffekt. Endelig, tilføjelsen af ​​fotoniske krystalfibre kunne i princippet give mulighed for generering af tilsvarende korte laserimpulser ved andre bølgelængder.

"Det, der virkelig er bemærkelsesværdigt ved dette projekt, er letheden ved at kombinere grafen med optiske fibre fra hylden i et meget kompakt format, " siger Popa. "På denne måde, vi kan generere lysimpulser, der kun varer i nogle få cyklusser, eller nogle få milliontedele af en milliardtedel af et sekund."