Esculpiendo pulsos de luz súper rápidos.

El control de las propiedades de los pulsos de luz ultrarrápidos es esencial para enviar información a través de circuitos ópticos de alta velocidad y para sondear átomos y moléculas que vibran miles de billones de veces por segundo. Pero el método estándar de conformación de pulsos (el uso de dispositivos conocidos como moduladores de luz espacial) es costoso, voluminoso y carece de todo el control fino que los científicos necesitan. Además, estos dispositivos generalmente se basan en cristales líquidos que pueden dañarse por los mismos pulsos de luz láser de alta intensidad para los que fueron diseñados.

Ahora, los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y el NanoCenter de College de la Universidad de Maryland han desarrollado un método nuevo y compacto para esculpir la luz. Primero depositaron una capa de silicio ultrafino sobre vidrio, de unos pocos cientos de nanómetros (mil millonésimas de metro) de espesor, y luego cubrieron una serie de millones de pequeños cuadrados de silicio con un material protector. Al eliminar el silicio que rodeaba cada escuadra, el equipo creó millones de pilares diminutos, que desempeñaron un papel clave en la técnica de escultura ligera.

El dispositivo plano y ultrafino es un ejemplo de una superficie de superficie, que se utiliza para cambiar las propiedades de una onda de luz que viaja a través de ella. Al diseñar cuidadosamente la forma, el tamaño, la densidad y la distribución de los nanopilares, ahora se pueden adaptar múltiples propiedades de cada pulso de luz de forma simultánea e independiente con precisión a nanoescala. Estas propiedades incluyen la amplitud, fase y polarización de la onda.

Una onda de luz, un conjunto de campos eléctricos y magnéticos oscilantes orientados en ángulos rectos entre sí, tiene picos y valles similares a una onda oceánica. Si está parado en el océano, la frecuencia de la onda es la frecuencia con la que los picos o valles pasan a través de usted, la amplitud es la altura de las ondas (de canal a pico) y la fase es donde usted está en relación con los picos. y comederos.

"Descubrimos cómo manipular de manera independiente y simultánea la fase y la amplitud de cada componente de frecuencia de un pulso láser ultrarrápido", dijo Amit Agrawal, de NIST y NanoCenter. "Para lograr esto, utilizamos juegos cuidadosamente diseñados de nanopilares de silicio, uno para cada color constitutivo en el pulso, y un polarizador integrado fabricado en la parte posterior del dispositivo".

Cuando una onda de luz viaja a través de un conjunto de nanopilares de silicio, la onda se ralentiza en comparación con su velocidad en el aire y su fase se retrasa; el momento en que la onda alcanza su próximo pico es un poco más tarde que el momento en que la onda Han alcanzado su siguiente pico en el aire. El tamaño de las nanopilares determina la cantidad en que cambia la fase, mientras que la orientación de las nanopilares cambia la polarización de la onda luminosa. Cuando un dispositivo conocido como polarizador se conecta a la parte posterior del silicio, el cambio en la polarización se puede traducir en un cambio correspondiente en la amplitud.

La modificación de la fase, la amplitud o la polarización de una onda de luz de una manera altamente controlada se puede utilizar para codificar información. Los cambios rápidos y ajustados también pueden usarse para estudiar y cambiar el resultado de procesos químicos o biológicos. Por ejemplo, las alteraciones en un pulso de luz entrante podrían aumentar o disminuir el producto de una reacción química. De esta manera, el método nanopilar promete abrir nuevas perspectivas en el estudio del fenómeno ultrarrápido y la comunicación de alta velocidad.

Agrawal, junto con Henri Lezec de NIST y sus colaboradores, describen los hallazgos en línea hoy en la revista. Ciencia.

"Queríamos extender el impacto de las metasuperficies más allá de su aplicación típica (cambiar la forma de un frente de onda óptico espacialmente) y usarlas para cambiar cómo el pulso de luz varía con el tiempo", dijo Lezec.

Un pulso de luz láser ultrarrápido típico dura solo unos pocos femtosegundos, o una milésima de una billonésima de segundo, demasiado corto para que cualquier dispositivo pueda dar forma a la luz en un instante particular. En su lugar, Agrawal, Lezec y sus colegas idearon una estrategia para dar forma a los componentes de frecuencia individuales o los colores que conforman el pulso separando primero la luz en esos componentes con un dispositivo óptico llamado rejilla de difracción.

Cada color tiene una intensidad o amplitud diferente, similar a la forma en que un tono musical está compuesto por muchas notas individuales que tienen diferentes volúmenes. Cuando se dirigen a la superficie de silicio grabada con nanopilares, diferentes componentes de frecuencia golpean diferentes conjuntos de nanopilares. Cada conjunto de nanopilares se adaptó para alterar la fase, la intensidad o la orientación del campo eléctrico (polarización) de los componentes de una manera particular. Una segunda rejilla de difracción luego recombinó todos los componentes para crear el pulso de nueva forma.

Los investigadores diseñaron su sistema nanopilar para funcionar con pulsos de luz ultrarrápidos (10 femtosegundos o menos, equivalentes a una centésima parte de la billonésima de segundo) compuesto por un amplio rango de componentes de frecuencia que abarcan longitudes de onda de 700 nanómetros (luz roja visible) a 900 Nanómetros (infrarrojo cercano). Al alterar de forma simultánea e independiente la amplitud y la fase de estos componentes de frecuencia, los científicos demostraron que su método podía comprimir, dividir y distorsionar los pulsos de manera controlable.

Las mejoras adicionales en el dispositivo darán a los científicos un control adicional sobre la evolución temporal de los pulsos de luz y podrán permitirles a los investigadores configurar con exquisito detalle líneas individuales en un peine de frecuencias, una herramienta precisa para medir las frecuencias de luz utilizadas en dispositivos como los relojes atómicos y Para identificar planetas alrededor de estrellas distantes.