Un equipo internacional de investigadores, entre ellos un científico de la Universidad de Aston, ha desarrollado un nuevo marco matemático que explica el extraño comportamiento de los llamados pulsos láser “respirables”. El avance combina por primera vez dos tipos diferentes de dinámica láser en un solo modelo.
Los láseres ultrarrápidos producen ráfagas de luz increíblemente cortas que duran sólo picosegundos o femtosegundos. Estos láseres se utilizan ampliamente en tecnologías como cirugía ocular, imágenes biomédicas, fabricación avanzada y procesamiento de materiales de precisión. Una comprensión más profunda de cómo se comportan estos láseres podría ayudar a los científicos a mejorar su estabilidad y hacerlos más eficientes para aplicaciones especializadas.
Dentro de un láser ultrarrápido, pulsos de luz viajan repetidamente a través de una estructura conocida como cavidad láser. Bajo ciertas condiciones, estos pulsos pueden formar paquetes de ondas estables llamados solitones. A diferencia de los pulsos de luz ordinarios que se propagan lentamente, los solitones mantienen su forma mientras se mueven.
La mayor parte del tiempo, los solitones se comportan de forma constante y predecible, produciendo un pulso regular como el latido del corazón. Sin embargo, en los láseres de “respiración”, los pulsos cambian continuamente con el tiempo. A medida que el láser viaja continuamente a través de la cavidad, crecen y se contraen repetidamente, creando una oscilación rítmica que se asemeja a la respiración. Este comportamiento representa una condición de no equilibrio en la que la salida del láser evoluciona continuamente en lugar de permanecer constante.
Dos tipos diferentes de “respiración” láser.
Experimentos anteriores revelaron dos formas distintas de comportamiento respiratorio en estos láseres.
Cuando el láser opera por encima de la energía mínima requerida para mantener la emisión de pulsos, conocida como umbral, los solitones comienzan a oscilar rápidamente. En este régimen, el ciclo respiratorio se repite después de sólo unos pocos viajes de ida y vuelta a la cavidad.
Por debajo del umbral, el comportamiento se ralentiza drásticamente. Un solitón puede requerir cientos o miles de viajes de ida y vuelta para completar un único ciclo respiratorio.
Hasta ahora, los investigadores se basaban en dos modelos matemáticos separados para explicar estos regímenes diferentes. El nuevo estudio cambia eso al mostrar que ambos comportamientos pueden describirse dentro de un marco unificado.
El trabajo fue publicado en el que participa la Dra. Sonia Boscolo del Instituto Aston de Tecnologías Fotónicas. carta de revisión física En un artículo titulado “Modelo unificado para la respiración de solitones en láseres de fibra: procesos en los regímenes por debajo y por encima del umbral”.
Una explicación unificada para la dinámica láser compleja
Los investigadores desarrollaron un modelo revisado que combina dos factores importantes: la rápida evolución de la luz dentro de la cavidad del láser y el lento cambio en la fuente de alimentación del láser. Al considerar ambos procesos juntos, el equipo demostró que las dos formas de respiración no son fenómenos separados, sino que surgen de una física subyacente relacionada.
Dr Boscolo dice:
“Los solitones respiratorios por encima y por debajo del umbral muestran un comportamiento marcadamente diferente. Los solitones respiratorios por encima del umbral oscilan rápidamente y pueden bloquearse en la cavidad, produciendo espectros de radiofrecuencia en forma de peine y estados de frecuencia bloqueada de orden superior, con bandas laterales características en sus espectros ópticos. Espectros de radiofrecuencia agrupados sin conformación estricta, y sin bandas laterales ópticas, nuestra nueva simulación predice ciclos rápidos y lentos simultáneamente, lo que antes se pensaba imposible con un solo modelo.
“Nuestro trabajo presenta un modelo discreto revisado que incorpora la dinámica lenta del medio de ganancia del láser mientras mantiene detalles detallados de la cavidad. Este marco unificado reproduce con precisión todos los comportamientos observados experimentalmente en ambos regímenes y revela sus mecanismos subyacentes: la respiración por debajo del umbral da como resultado el inicio de la respiración con Q-bins. La respiración por encima del umbral Kerr se ve afectada por la no linealidad y la dispersión.
“Este descubrimiento cierra una brecha de larga data en la ciencia del láser y proporciona una herramienta importante para diseñar la próxima generación de tecnologías basadas en la luz”.
Aplicaciones futuras de los láseres ultrarrápidos
Los investigadores creen que la nueva estructura podría convertirse en una herramienta importante para los ingenieros que desarrollen futuros sistemas ópticos. A medida que aumenta la demanda de tecnología láser más potente y confiable, el modelo puede ayudar a los científicos a predecir de manera más eficiente el comportamiento complejo del láser sin depender de múltiples simulaciones desconectadas.
El equipo espera que el trabajo sirva eventualmente como una guía práctica para diseñar la próxima generación de láseres ultrarrápidos utilizados en medicina, imágenes, fabricación y otras tecnologías avanzadas.
