En cuanto a los láseres, se considera que los fabricados con zafiro de titanio (Ti:zafiro) tienen un rendimiento “incomparable”. Son indispensables en muchos campos, incluida la óptica cuántica avanzada, la espectroscopia y la neurociencia. Pero esta eficiencia tiene un precio muy alto. Los láseres de Ti:zafiro son grandes, en pies cúbicos de volumen. Son caros y cuestan millones de dólares cada uno. Y para proporcionarles suficiente energía para funcionar, se necesitan otros láseres de alta potencia, que cuestan 30.000 dólares.
Como resultado, los láseres de Ti:zafiro nunca lograron una adopción generalizada en el mundo real, hasta ahora. En un espectacular avance en escala, rendimiento y coste, investigadores de la Universidad de Stanford han creado un láser de Ti:zafiro en un chip. El prototipo es cuatro órdenes de magnitud más pequeño (10.000x) y tres órdenes de magnitud menos costoso (1.000x) que cualquier láser de Ti:zafiro.
“Esta es una desviación total del viejo modelo”, dijo Jelena Wu Covey, profesora Jensen Huang de Liderazgo Global, profesora de ingeniería eléctrica y autora principal del artículo que presentó el láser Ti:zafiro a escala de chip. Diario La naturaleza. “En lugar de un láser grande y costoso, cualquier laboratorio pronto podría tener cientos de valiosos láseres en un chip. Y podría alimentarlos a todos con un puntero láser verde”.
Beneficios profundos
“Cuando se da el salto desde el tamaño de una mesa y se puede producir algo en un chip a un costo tan bajo, estos potentes láseres se utilizan en muchas aplicaciones críticas diferentes”, dijo Joshua Yang, Wu Kui. Soy candidato a doctorado. Lab y colegas del Laboratorio de Fotónica Cuántica y Nanoescala de Vu.kovi, el ingeniero de investigación Kasper von Gees y el académico postdoctoral Daniel M. Luken, coprimer autor del estudio.
Técnicamente, los láseres de Ti:zafiro son valiosos porque tienen el mayor “ancho de banda de ganancia” de cualquier cristal láser, explicó Yang. En pocas palabras, ganar ancho de banda se traduce en una gama más amplia de colores que un láser puede producir que otros láseres. También es extremadamente rápido, afirmó Yang. Se emiten pulsos de luz cada cuarto de segundo.
Pero los láseres de Ti:zafiro también son difíciles de conseguir. Incluso el laboratorio de Wu Kui, que lleva a cabo experimentos de óptica cuántica de vanguardia, sólo tiene unos pocos láseres preciosos para compartir. El nuevo láser Ti:sapphire cabe en un chip que mide en milímetros cuadrados. Si los investigadores pueden producirlos en masa en obleas, potencialmente miles, tal vez decenas de miles, de láseres de Ti:zafiro podrían comprimirse en un disco que quepa en la palma de una mano humana.
“El chip es liviano. Es portátil. Es barato y eficiente. No tiene partes móviles. Y puede producirse en masa”, dijo Yang. “¿Qué es lo que no me gusta? democratiza los láseres de Ti:zafiro”.
¿Cómo ha ocurrido?
Para diseñar el nuevo láser, los investigadores comenzaron con una gruesa capa de zafiro de titanio sobre una plataforma de dióxido de silicio (SiO).2), todo ello montado sobre un auténtico cristal de zafiro. Luego muelen, dibujan y pulen el Ti:zafiro hasta obtener una capa extremadamente delgada, de sólo unos pocos cientos de nanómetros de espesor. En esta fina capa, forman un patrón de vórtice arremolinado de pequeñas crestas. Estos picos son como cables de fibra óptica, que guían la luz alrededor y alrededor, aumentando su intensidad. De hecho, el patrón se conoce como guía de ondas.
“Matemáticamente hablando, la intensidad es el poder dividido por el área”, dice Yang, por lo que la intensidad se dispara”, dice Yang. “La menor escala de nuestro láser en realidad nos ayuda a hacerlo más eficiente”.
La pieza restante del rompecabezas es un calentador a microescala que calienta la luz que viaja a través de las guías de ondas, lo que permite a Vu?kovi? El equipo cambiará la longitud de onda de la luz emitida (de roja a infrarroja) para ajustar el color de la luz entre 700 y 1.000 nanómetros.
Foco en las aplicaciones
Wu?Kowei?, Yang y sus colegas están muy entusiasmados con la variedad de campos en los que un láser de este tipo podría impactar. En física cuántica, un nuevo láser proporciona una solución económica y práctica que podría ralentizar drásticamente las últimas computadoras cuánticas. En neurociencia, los investigadores pueden prever una aplicación inmediata en la optogenética, un campo que permite a los científicos controlar las neuronas con luz dentro del cerebro a través de fibras ópticas relativamente grandes. Los láseres más pequeños pueden integrarse en sondas más compactas, abriendo nuevas vías experimentales, afirma. En oftalmología, puede encontrar nuevas aplicaciones con la amplificación del pulso chirriado ganadora del Premio Nobel en cirugía láser u ofrecer tecnologías de tomografía de coherencia óptica más compactas y menos costosas utilizadas para evaluar la salud de la retina.
A continuación, el equipo está trabajando para perfeccionar sus láseres de Ti:zafiro a escala de chip y encontrar formas de producirlos en masa, miles a la vez, en obleas. Yang obtendrá un doctorado este verano basado en esta investigación y está trabajando para llevar la tecnología al mercado.
“Podemos colocar miles de láseres en una sola oblea de 4 pulgadas”, afirma Yang. “Ahí es cuando el coste por láser empieza a ser casi nulo. Eso es muy interesante”.
