Även om det är viktigt för olika applikationer, såsom skärning och svetsning, kirurgi och överföring av bitar genom optisk fiber, lasrar har vissa begränsningar – nämligen de producerar endast ljus i begränsade våglängdsområden. Nu, forskare från Ginzton Lab vid Stanford University har modifierat liknande ljuskällor, kallade optiska parametriska oscillatorer, för att övervinna detta hinder.

Tills nu, dessa mindre kända ljuskällor har mestadels varit begränsade till labbet eftersom deras installation lämnar lite utrymme för misstag – även ett litet krångel kan slå en ur linje. Dock, efter ett kontraintuitivt beslut, forskarna kan ha hittat en lösning på denna svaghet som kan leda till mindre, billigare och mer effektiva ljuspulskällor.

Deras arbete, publicerad 1 februari in Fysiska granskningsbrev , demonstrerar ett nytt sätt att producera femtosekundpulser – pulser uppmätta med kvadriljondelar av en sekund – i önskvärda våglängdsområden med denna ljuskälla. Tekniken kan potentiellt leda till bättre upptäckt av föroreningar och sjukdomar genom att bara skanna luften eller någons andetag.

En kontraintuitiv innovation

Ljuskällan som dessa forskare studerar består av ett första steg där ljuspulser från en traditionell laser passerar genom en speciell kristall och omvandlas till ett våglängdsområde som är svårt att komma åt med konventionella lasrar. Sedan, en serie speglar studsar ljuspulserna runt i en återkopplingsslinga. När denna återkopplingsslinga är synkroniserad med de inkommande laserpulserna, de nykonverterade pulserna kombineras för att bilda en allt starkare utgång.

Traditionellt, människor kunde inte omvandla mycket av de initiala ljuspulserna till den önskade effekten med en sådan grej. Men för att vara effektiv i verkliga tillämpningar, gruppen var tvungen att öka den procenten.

"Vi behövde högre konverteringseffektivitet för att bevisa att det var en källa värd att studera, sa Alireza Marandi, en anställd i Ginzton Lab. "Så vi sa bara, 'OK, vad är det för knoppar vi har i labbet? Vi fyllde en som fick speglarna att reflektera mindre ljus, vilket stred mot standardriktlinjerna, och konverteringseffektiviteten fördubblades." Forskarna publicerade sina första experimentella resultat för två år sedan i Optica.

Att dra upp kraften i en konventionell design resulterar vanligtvis i två oönskade resultat:Pulserna förlängs och omvandlingseffektiviteten sjunker. Men i den nya designen, där forskarna avsevärt minskade reflektionsförmågan hos sina speglar, motsatsen inträffade.

"Vi tänkte på den här ordningen baserat på standardriktlinjerna för design, men beteendet vi skulle se i labbet var annorlunda, sa Marc Jankowski, huvudförfattare till tidningen och en doktorand i Ginzton Lab. "Vi såg en förbättring i prestanda, och vi kunde inte förklara det."

Efter fler simuleringar och labbexperiment, gruppen fann att nyckeln inte bara gjorde speglarna mindre reflekterande utan också förlängde återkopplingsslingan. Detta förlängde tiden det tog för ljuspulserna att slutföra sin loop och borde ha saktat ner dem för mycket. Men den lägre reflektionsförmågan, kombinerat med tidsfördröjningen, fick pulserna att interagera på oväntade sätt, vilket drog dem tillbaka till synkronisering med sina inkommande partners.

Denna oförutsedda synkronisering mer än fördubblade bandbredden på utgången, vilket innebär att den kan sända ut ett bredare våglängdsområde inom det område som är svårt att komma åt med konventionella lasrar. För tillämpningar som att upptäcka molekyler i luften eller i en persons andetag, ljuskällor med större bandbredd kan lösa upp mer distinkta molekyler. I princip, pulserna som detta system producerar kan komprimeras till så korta som 18 femtosekunder, som kan användas för att studera molekylers beteende.

Beslutet att minska spegelreflektionsförmågan hade den överraskande konsekvensen av att göra en tidigare persnickety enhet mer robust, effektivare och bättre på att producera ultrakorta ljuspulser i våglängdsområden som är svåra att komma åt med traditionella lasrar.

Att komma ut från labbet

Nästa utmaning är att designa enheten så att den passar i handflatan.

"Du pratar med människor som har arbetat med den här tekniken under de senaste 50 åren och de är mycket skeptiska till dess verkliga tillämpningar eftersom de tänker på dessa resonatorer som ett mycket högfint arrangemang som är svårt att anpassa och kräver mycket underhåll, sa Marandi, som också är medförfattare till tidningen. "Men i denna operationsregim är dessa krav superavslappnade, och källan är superpålitlig och behöver inte den omfattande vård som krävs av standardsystem."

Denna nyfunna designflexibilitet gör det lättare att miniatyrisera sådana system på ett chip, vilket kan leda till många nya tillämpningar för att detektera molekyler och fjärranalys.

"Ibland omformar du helt din förståelse av system du tror att du känner till, " sa Jankowski. "Det förändrar hur du interagerar med dem, hur du bygger dem, hur du designar dem och hur användbara de är. Vi har arbetat på de här källorna i flera år och nu har vi fått några ledtrådar som verkligen kommer att hjälpa till att föra dem ut ur labbet och ut i världen."