Nueva técnica para programar la propagación de pulsos láser ultracortos

En la actualidad existen dispositivos láser comerciales que emiten luz en forma de pulsos con duración extremadamente breve. Estas emisiones se conocen como pulsos láser ultracortos. La duración de estos pulsos de luz es del orden de varios femtosegundos. Un femtosegundo es la milbillonésima parte de un segundo. Para ponerlo en contexto, un femtosegundo es a un segundo lo que un segundo es a unos 32 millones de años.

Los pulsos láser ultracortos además presentan otra característica que los hace únicos: pueden alcanzar una potencia extraordinaria (del orden de petavatios, equivalente a mil billones de vatios) al ser enfocados. La materia expuesta a luz de potencia tan extraordinaria reacciona de forma inusual, pudiéndose generar fenómenos físicos extremos de gran interés.

Estos dos atributos tan peculiares de este tipo de pulsos láser, duración ultracorta y potencias extraordinarias, los constituyen como una herramienta fundamental en ciencia y tecnología. Por ejemplo, estos pulsos láser se han empleado para investigar fenómenos físicos y químicos extremadamente rápidos como la vibración y la rotación moleculares o las reacciones químicas. También se han empleado para microfabricación de dispositivos, como semilla para sintetizar pulsos luminosos con duraciones temporales mucho más cortas (del orden de attosegundos, la milésima parte de un femtosegundo), e incluso se han aplicado para crear fuentes de radiación de rayos X, neutrones y protones.

El desarrollo actual y futuro de las aplicaciones científicas y tecnológicas basadas en pulsos láser ultracortos requiere controlar simultáneamente el comportamiento espacial y temporal del pulso para gobernar por completo su propagación. Sin embargo, este es un problema complejo para el que no ha habido hasta ahora ninguna solución lo bastante satisfactoria. Las técnicas disponibles para controlar el pulso inducen efectos indeseados que llegan a frustrar su característica duración ultracorta, dilatándolos temporalmente.

Investigadores del Grupo Interdisciplinar de Óptica Computacional, del Departamento de Óptica de la Universidad Complutense de Madrid (UCM), han abordado este problema y han ideado una técnica innovadora y un dispositivo que permiten controlar de forma versátil y programable la propagación de pulsos láser ultracortos a lo largo de cualquier trayectoria espacial requerida por la aplicación considerada.

La nueva técnica permite programar la propagación de pulsos láser ultracortos. (Imagen: UCM)

Enar Franco, Óscar Martínez-Matos y José A. Rodrigo muestran, por primera vez, que sí es posible controlar simultáneamente el comportamiento espacial y temporal del pulso láser sin que eso altere su característica duración ultracorta. De esta forma, se puede gobernar tanto la trayectoria tridimensional que va a seguir el pulso láser cuando se propaga, como la velocidad y aceleración de su pico de intensidad luminosa. Como resultado, un “proyectil de luz” se propaga siguiendo la trayectoria deseada con una velocidad y aceleración programadas de antemano. Además, esta técnica permite controlar de forma independiente las propiedades del pulso a lo largo de la trayectoria de propagación, tales como su intensidad y fase. La fase es otra característica fundamental de la luz y su control es clave en la generación de vórtices de luz capaces de mover partículas o de codificar información en sistemas de telecomunicaciones. Los autores del estudio demuestran también cómo generar vórtices láser ultracortos estructurados, a la carta, para cualquier forma definida por cualquier trayectoria curva.

Este avance científico constituye un logro sin precedentes. Se trata de la primera herramienta que permite controlar de forma versátil y programable la propagación de pulsos láser ultracortos a lo largo de cualquier trayectoria, así como su intensidad y fase, tanto en el espacio como en el tiempo. Los creadores de la técnica creen que las nuevas posibilidades que ofrece esta pueden impulsar el desarrollo de una nueva generación de herramientas de manipulación óptica, facilitando la realización de experimentos avanzados que resultan indispensables para progresar en el estudio de la física de la interacción entre la luz y la materia. Esta ingeniería de pulsos láser ultracortos puede facilitar el desarrollo de aplicaciones tecnológicas láser en diferentes sectores, desde captación ultrarrápida de imágenes, hasta tratamiento médico ultrapreciso de tejidos mediante láser.

Los experimentos de esta investigación se realizaron en los laboratorios del Grupo Interdisciplinar de Óptica Computacional y en el Centro de Láseres Ultrarrápidos (CLUR), ambos de la Universidad Complutense de Madrid.

Enar Franco y sus colegas exponen los detalles técnicos de su avance en la revista académica Optica, bajo el título «Curve-shaped ultrashort laser pulses with programmable spatiotemporal behavior». (Fuente: UCM)