Lasers de estado sólido comuns, como usado em ponteiros laser, gerar luz na faixa visível. Para muitas aplicações, Contudo, como a detecção de moléculas, radiação na faixa do infravermelho médio é necessária. Esses lasers infravermelhos são muito mais difíceis de fabricar, especialmente se a radiação laser for necessária na forma de extremamente curta, pulsos intensos.

Por muito tempo, os cientistas têm procurado métodos simples para produzir esses pulsos de laser infravermelho - na TU Wien isso agora foi alcançado, em cooperação com a Harvard University. A nova tecnologia não requer grandes configurações experimentais; pode ser facilmente miniaturizado e, portanto, é particularmente interessante para aplicações práticas. Os novos resultados já foram apresentados na revista. Nature Communications .

O pente de frequência

"Geramos luz laser na faixa do infravermelho médio com lasers em cascata quântica feitos sob medida, fabricados no ultramoderno Nano-Centro de TU Wien, "diz Johannes Hillbrand do Instituto de Eletrônica de Estado Sólido da TU Viena, primeiro autor do estudo. Enquanto em lasers de estado sólido comuns, o tipo de luz emitida depende dos átomos do material, nos lasers em cascata quântica, estruturas minúsculas na faixa nanométrica são cruciais. Ao projetar essas estruturas de forma adequada, o comprimento de onda da luz pode ser ajustado com precisão.

"Nossos lasers em cascata quântica não fornecem apenas uma única cor de luz, mas toda uma gama de frequências diferentes, "diz o Ass.Prof. Benedikt Schwarz, que liderou o trabalho de pesquisa em seu projeto financiado por uma bolsa ERC. "Essas frequências são arranjadas muito regularmente, sempre com a mesma distância entre eles, como os dentes de um pente. Portanto, esse espectro é chamado de pente de frequência. "

A luz é como um pêndulo

Contudo, não são apenas as frequências emitidas por esse laser quântico em cascata que são decisivas, mas também a fase com a qual as respectivas ondas de luz oscilam. "Você pode comparar isso a dois pêndulos conectados por um elástico, "explica Johannes Hillbrand." Eles podem balançar para frente e para trás, exatamente em paralelo, ou opostos um ao outro, de modo que eles balançam em direção um ao outro ou se afastam um do outro. E esses dois modos de vibração têm frequências ligeiramente diferentes. "

É bem parecido com a luz laser, que é composto de diferentes comprimentos de onda:as ondas de luz individuais do pente de frequência podem oscilar exatamente em sincronia - então, elas se sobrepõem de maneira ideal e podem gerar curtos, pulsos de laser intensos. Ou pode haver mudança entre suas oscilações, nesse caso, nenhum pulso é criado, mas a luz do laser com uma intensidade quase contínua.

O modulador de luz

"Em lasers em cascata quântica, anteriormente era difícil alternar entre essas duas variantes, "diz Johannes Hillbrand." No entanto, construímos um pequeno modulador em nosso laser quântico em cascata, onde as ondas de luz passam repetidas vezes. "Uma voltagem elétrica alternada é aplicada a este modulador. Dependendo da frequência e da força da voltagem, diferentes oscilações de luz podem ser estimuladas no laser.

"Se você dirigir este modulador na frequência exata, você pode conseguir que as diferentes frequências de nosso pente de frequência oscilem todas exatamente em sincronia, "diz Benedikt Schwarz." Isso torna possível combinar essas frequências em curtos, pulsos de laser intensos - mais de 12 bilhões de vezes por segundo. "

Este nível de controle sobre pulsos de laser infravermelho curtos não era possível anteriormente com lasers semicondutores. Na melhor das hipóteses, tipos semelhantes de luz só poderiam ser gerados usando métodos muito caros e com perdas. "Nossa tecnologia tem a vantagem decisiva de poder ser miniaturizada, "enfatiza Benedikt Schwarz." Pode-se usá-lo para construir instrumentos de medição compactos que usam esses feixes de laser especiais para pesquisar moléculas muito específicas em uma amostra de gás, por exemplo. Graças à alta intensidade de luz dos pulsos de laser, medições que requerem dois fótons ao mesmo tempo também são possíveis.