Graphene Flagship -forskare har utvecklat en optisk fiberlaser som avger pulser med varaktigheter som motsvarar bara några få våglängder för det använda ljuset. Denna snabbaste enhet någonsin baserad på grafen kommer att vara idealisk för användning i ultrasnabb spektroskopi, och i kirurgiska lasrar som undviker värmeskador på levande vävnad.

Ultrasnabb och ultrakort

Avancerade fotonikapplikationer som höghastighetsspektroskopi kräver ultrakortpulser för att fånga övergående fysiska fenomen i de studerade materialen. I praktiken, det betyder laserpulser i femtosekund (10-15s) intervallet. Ett exempel på en sådan tillämpning är pumpsondspektroskopi av fotokemiska avslappningsprocesser.

"När man konstruerar ljus för att resa i ultrakorte pulser, det är viktigt att förstå dess vågnatur, säger Daniel Popa, chef för fotonikgruppen vid Cambridge Graphene Center, och ledare för sitt grafenbaserade laserforskningsprojekt. "För att ljus ska föröka sig liksom en mekanisk våg på en sträckt sladd, den kortast möjliga pulsen definieras av en enkelvågssvängning. "

Tidsupplösningen begränsas av längden på laserpulsen som används. Ju kortare puls, ju högre spektroskopisk upplösning, med den högsta möjliga upplösningen definierad av cykellängden för den specifika använda ljusfrekvensen. I de synliga och nära-infraröda regimer, där de flesta ultrasnabba lasrar fungerar, den ultimata pulslängden ligger mellan 2 och 5 femtosekunder. Kortare pulser kräver kortare våglängder.

Teoretiska gränser åt sidan, pulser så korta som två cykler kan genereras från laserhålor med hjälp av en teknik som kallas passivt läge-låsning. Med titan-safirlasrar, vanligt i fotoniklaboratorier världen över, pulser med fem femtosekunds längd kan produceras vid en våglängd på 800 nanometer, motsvarande mindre än två cykler. Dessa pulser kan inte ställas in, dock. Ställbara fåcykliska pulser kan uppnås genom att utnyttja olinjära effekter i optiska parametriska förstärkare, men de praktiska arrangemangen tenderar att vara komplexa och dyra.

Fiberlasrar är attraktiva plattformar för ultrakortpulsgenerering, på grund av deras enkla, kompakta och kostnadseffektiva konstruktioner, deras effektiva värmeavledning, och en justeringsfri operation som inte kräver skrymmande optiska inställningar. Med fiberbaserade oscillatorer, ultrakortpulser kan genereras genom passivt läge-låsning, som kräver en olinjär komponent som kallas en mättbar absorberare. Grafen har de idealiska fysikaliska egenskaperna för att göra en sådan mättbar absorberare.

En grafenbaserad fiberfiberlaser för få cykler med ljuspulser

Grafenbaserade läge-låsta lasrar har visats tidigare, men det är användningen av detta nya tvådimensionella material i en kompakt, allfibrer som markerar Popas och hans kollegors arbete. Deras framsteg beskrivs i en artikel som nyligen publicerats i tidningen Tillämpad fysikbokstäver , vars första författare är doktoranden David Purdie.

Med fiberlasrar, femtosekundpulser genereras vanligtvis genom låsning av solitonläge. En soliton är en självförstärkande ensam våg som bibehåller sin form utan förvrängning när den färdas med konstant hastighet längs en vågledare som en optisk fiber. Solitoner är resultatet av dispersiva och olinjära effekter som avbryter varandra i vågledarmediet, varigenom ett stabilt pulshölje kan föröka sig.

Helfiberformat är att föredra när det gäller kostnad, kompakthet och robusthet, och strategin här är att använda en hålighet baserad på alternerande segment av positiva och negativa dispersionsfibrer som leder till periodisk breddning och komprimering av pulserna.

Nyckeln är att extrahera pulsen från en sådan hålighet när dess varaktighet är minst. och toppeffekt alltså maximalt. På grund av den höga toppeffekten för den extraherade pulsen, nya frekvenskomponenter kan genereras genom olinjära optiska effekter inom en yttre fiberlängd, och dessa är kritiska när det gäller att ytterligare minska pulslängden. Detta är baserat på det matematiska förhållandet i vågor mellan frekvens- och tidsdomäner som kallas en Fouriertransform. För att förverkliga denna omvandling i fysisk form, forskarna konstruerade en dispersiv fördröjningslinje som viker de nyskapade frekvenskomponenterna till en enda puls.

Graphene Flagship -forskarnas inställning baserades endast på standard telekommunikationsutrustning, med en mättbar absorberare baserad på en komposit av grafen och polyvinylalkohol (PVA) tillverkad av billiga lösningsbearbetningar, med grafenflingorna exfolierade från bulkgrafit genom ultraljudsrörelse av lösningen. Avdunstning lämnar efter sig en 50 mikron tjock grafen-PVA-komposit, som sedan kläms in mellan fiberkontakter.

Med denna inställning, Purdie och hans kollegor kunde generera 29 femtosekundpulser, vilket motsvarar färre än sex cykler vid en våglängd på 1,5 mikron.

Att kompensera för icke-linjära och dispersiva effekter av högre ordning bör leda till en kortare pulslängd, och användning av en högre effektdiod, eller en dubbelpumpad konfiguration, kan resultera i högre bandbreddspulser samt ökad uteffekt. Till sist, tillsatsen av fotoniska kristallfibrer skulle i princip möjliggöra generering av liknande korta laserpulser vid andra våglängder.

"Det som verkligen är anmärkningsvärt med detta projekt är enkelheten att kombinera grafen med optiska fibrer i ett mycket kompakt format, "säger Popa." På detta sätt, vi kan generera ljuspulser som bara varar i några cykler, eller några miljoner av en miljarddel av en sekund. "