Imágenes de attosegundos ya son posibles con pulsos de luz ultracortos

Dos físicos de RIKEN han conseguido pulsos de luz láser extremadamente cortos con una potencia máxima de 6 teravatios, equivalente a la energía de 6.000 plantas de energía nuclear.

Este logro ayudará a seguir desarrollando los láseres de attosegundos, por los que tres investigadores -Pierre Agostini, Ferenc Krausz y Anne L'Huillier-, recibieron el Premio Nobel de Física en 2023. El trabajo se publica en la revista Nature Photonics.

De la misma manera que el flash de una cámara puede "congelar" objetos que se mueven rápidamente, haciéndolos parecer como si estuvieran quietos en las fotografías, los pulsos láser extremadamente cortos pueden ayudar a iluminar procesos ultrarrápidos, proporcionando a los científicos una poderosa manera de obtener imágenes y sondearlas.

Por ejemplo, los pulsos láser del orden de attosegundos (un attosegundo = 10 a 18 segundos) son tan cortos que pueden revelar el movimiento de los electrones en átomos y moléculas, lo que brinda una nueva forma de descubrir cómo evolucionan las reacciones químicas y bioquímicas. Incluso la luz parece arrastrarse en escalas de tiempo tan cortas, tardando unos 3 attosegundos en atravesar un solo nanómetro.

"Al permitir capturar el movimiento de los electrones, los láseres de attosegundos han hecho una importante contribución a la ciencia básica", afirma en un comunicado Eiji Takahashi del Centro RIKEN de Fotónica Avanzada (RAP). "Se espera que se utilicen en una amplia gama de campos, incluida la observación de células biológicas, el desarrollo de nuevos materiales y el diagnóstico de afecciones médicas".

Pero si bien es posible crear pulsos láser ultracortos, carecen de mucha potencia y tienen bajas energías. La creación de pulsos láser que sean ultracortos y de alta energía ampliaría enormemente sus posibles usos. "La energía de salida actual de los láseres de attosegundos es extremadamente baja", afirma Takahashi. "Por eso es vital aumentar su producción de energía si se van a utilizar como fuentes de luz en una amplia gama de campos".

Así como los amplificadores de audio se utilizan para potenciar las señales de sonido, los físicos del láser utilizan amplificadores ópticos para aumentar la energía de los pulsos láser. Estos amplificadores suelen emplear cristales no lineales que presentan respuestas especiales a la luz. Pero estos cristales pueden sufrir daños irreparables si se utilizan para amplificar pulsos de láser de ciclo único, que son tan cortos que el pulso termina antes de que la luz pueda oscilar a través de un ciclo de longitud de onda completo.

"El mayor obstáculo en el desarrollo de fuentes láser infrarrojas ultrarrápidas y energéticas ha sido la falta de un método eficaz para amplificar directamente los pulsos láser de un solo ciclo", explica Takahashi. "Este cuello de botella ha resultado en una barrera de un milijulio para la energía de los pulsos láser de un solo ciclo".

Ahora, Takahashi y su colega de RAP, Lu Xu, no sólo han superado esta barrera, sino que la han atravesado. Han amplificado pulsos de un solo ciclo a más de 50 milijulios, más de 50 veces el mejor esfuerzo anterior. Debido a que los pulsos láser resultantes son tan cortos, esta energía se traduce en potencias increíblemente altas de varios teravatios.

"Hemos demostrado cómo superar el cuello de botella estableciendo un método eficaz para amplificar un pulso láser de ciclo único", dice Takahashi.

Su método, llamado amplificación paramétrica óptica avanzada de doble chip (DC-OPA), es sorprendentemente simple e involucra solo dos cristales, que amplifican regiones complementarias del espectro.

"El DC-OPA avanzado para amplificar un pulso láser de un solo ciclo es muy simple, ya que se basa simplemente en una combinación de dos tipos de cristales no lineales; parece una idea que a cualquiera se le podría haber ocurrido", dice Takahashi. "Me sorprendió que un concepto tan simple proporcionara una nueva tecnología de amplificación y provocara un gran avance en el desarrollo de láseres ultrarrápidos de alta energía".

Es importante destacar que el DC-OPA avanzado funciona en una gama muy amplia de longitudes de onda. Takahashi y Xu pudieron amplificar pulsos cuyas longitudes de onda diferían en más de un factor de dos. "Este nuevo método tiene la característica revolucionaria de que el ancho de banda de amplificación puede hacerse ultra amplio sin comprometer las características de escalamiento de la energía de salida", dice Takahashi.

Su técnica es una variación de otra técnica de amplificación de pulsos ópticos, llamada "amplificación de pulso chirriado", por la cual tres investigadores de Estados Unidos, Francia y Canadá recibieron el Premio Nobel de Física en 2018. Existe una conexión interesante entre los y premios 2023 porque la amplificación del pulso chirriado fue una de las técnicas que permitió el desarrollo de láseres de attosegundos.

Takahashi anticipa que su técnica avanzará aún más en el desarrollo de láseres de attosegundos. "Hemos logrado desarrollar un nuevo método de amplificación láser que puede aumentar la intensidad de los pulsos láser de un solo ciclo hasta una potencia máxima de clase teravatios", afirma. "Es sin duda un gran avance en el desarrollo de láseres de attosegundos de alta potencia".

A largo plazo, su objetivo es ir más allá de los láseres de attosegundos y crear pulsos aún más cortos. "Al combinar láseres de ciclo único con efectos ópticos no lineales de orden superior, bien podría ser posible generar pulsos de luz con una duración de zeptosegundos (un zeptosegundo es la miltrillonésima parte de un segundo)", afirma. "Mi objetivo a largo plazo es llamar a la puerta de la investigación del láser de zeptosegundo y abrir la próxima generación de láseres ultracortos después de los láseres de attosegundo".