22/02/2016 - Diseñan, construyen y ponen en funcionamiento un láser de estado sólido de tamaño nanométrico

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Una a de las principales áreas de investigación dentro del campo de la fotónica se centra en el estudio y desarrollo de nuevos láseres, ya que estos dispositivos constituyen la fuente de luz con mayor grado de direccionalidad, brillo, posibilidad de manipulación y control.

Dentro de estos sistemas, los láseres de estado sólido, típicamente constituidos por iones emisores de luz embebidos en un cristal, son una herramienta fundamental en una extensa variedad de áreas industriales, en investigación, en medicina y en comunicaciones.

Desde su descubrimiento los láseres de estado sólido han experimentado un fuerte desarrollo. Hoy en día se dispone de una gran variedad de configuraciones en cuyos extremos se situarían, por un lado, los láseres de gran tamaño y alta potencia como los utilizados para experimentos de fusión nuclear o para la reciente detección de ondas gravitacionales mediante el sistema LIGO; y por otro lado, los láseres miniaturizados en forma de micro-chips compactos para su implementación en grandes redes de transferencia y procesado de datos.

Sin embargo, los nuevos retos en nanociencia y nanotecnología requieren reducir el tamaño de los láseres por debajo del micrómetro (la milésima parte de un milímetro).

Este tipo de dispositivos son realmente prometedores ya que disponer de láseres en tamaños nanométricos puede generar toda una revolución en variedad de aplicaciones en biomedicina, tecnología de sensores, tecnologías de la imagen o tecnologías de la información.

Las limitaciones que sufren los sistemas ópticos convencionales en estas reducidísimas escalas de tamaño, debido principalmente al fenómeno de difracción óptica, hacen que el desarrollo de “nanoláseres” requiera conceptos físicos y diseños radicalmente diferentes de los utilizados en los láseres convencionales.

Una buena aproximación para lograr este objetivo consiste en la utilización de estructuras metálicas de pocas decenas de nanómetros que tienen la capacidad de actuar como nanoantenas ópticas confinando gran densidad de energía electromagnética en las cercanías de su superficie (efecto plasmónico).

La asociación de nanoestructuras metálicas con cristales láser permite el confinamiento de la luz láser generada en tamaños inferiores a su propia longitud de onda. Hasta la fecha no se había demostrado la posibilidad de acción láser en la nanoescala utilizando un láser de estado sólido.

Físicos de la UAM, en colaboración investigadores del Centro de Física de Materiales-Donostia International Physics Center, han obtenido por primera vez acción láser confinada en regiones espaciales nanométricas a partir de un láser de estado sólido activado ópticamente con iones trivalentes de neodimio (Nd3+).

Nanopartículas de plata, elemento clave

Mediante un proceso fotoquímico simple y de muy bajo coste, el grupo de investigación dirigido por Luisa Bausá, ha fabricado cadenas lineales de nanopartículas de plata sobre la superficie del láser y ha llevado a cabo los experimentos para la demostración de acción láser en la nanoescala. Tal y como han probado, el efecto de estas cadenas posibilita la acción láser en las regiones adyacentes a las nanopartículas con una eficiencia 15 veces superior a la obtenida en el láser convencional.

 “Este trabajo, que hemos publicado recientemente en la revista Nano Letters, abre la vía para reducir a la nanoescala muchos otros láseres de estado sólido existentes hoy en día que son capaces de cubrir el amplio rango espectral que va desde el ultravioleta al infrarrojo medio. Las ventajas inherentes a este tipo de láseres son su estabilidad química y térmica y la calidad de línea de emisión”, explican los investigadores.

Entre las aplicaciones que podrían beneficiarse de estos sistemas se encuentran la bio-detección con sensibilidad ultra-extrema, la posibilidad de disponer circuitos ópticos ultra-compactos y ultra-rápidos o el control de las interacciones extremas entre la luz y la materia para su aplicación en computación cuántica.

Referencia bibliográfica

Pablo Molina, Eduardo Yraola, Mariola O. Ramírez, Christos Tserkezis, José L. Plaza, Javier Aizpurua, Jorge Bravo-Abad, and Luisa E. Bausá. “Plasmon-Assisted Nd3+ -Based Solid-State Nanolaser”. Nano Letters 2016, 16 (2), pp 895–899. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b03656

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