El láser de estado sólido se reduce a escala nanométrica

Desde su descubrimiento, los láseres de estado sólido (típicamente constituidos por una impureza ópticamente activa embebida en un material aislante cristalino o vítreo) han experimentado un fuerte desarrollo pudiéndose disponer hoy en día de variedad de configuraciones en cuyos extremos se situarían los láseres de gran tamaño con alta potencia diseñados para experimentos de fusión nuclear y 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 fuentes de luz coherente de tamaños aún más pequeños, en el rango sub-micrométrico. Este tipo de sistemas son realmente prometedores ya que la generación y manipulación de luz coherente en la nanoescala puede generar toda una revolución en variedad de aplicaciones que van desde los sensores a la biomedicina y desde las tecnologías de la imagen hasta las 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 y que permitan el confinamiento de los modos de oscilación láser en tamaños inferiores a la propia longitud de onda de la luz generada.

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 y de confinar gran densidad de energía electromagnética en las cercanías de su superficie (efecto plasmónico). La combinación de nanoestructuras metálicas con medios de ganancia óptica permite la generación y confinamiento de la radiación láser en tamaños inferiores a la propia longitud de onda de la luz generada, tal y como se ha demostrado en sistemas basados en colorantes orgánicos o en semiconductores. Sin embargo, hasta la fecha no se había demostrado la posibilidad de acción láser en la nanoescala utilizando un láser de estado sólido.

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Esquema de funcionamiento del nanolaser de estado sólido. Mapa espacial de ganancia óptica obtenido por integración de la intensidad láser en un área macroscópica que contiene 2 cadenas de nanopartículas de plata. Luisa Bausá, UAM.

Físicos de la UAM en colaboración con 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+).

Para ello, mediante un proceso fotoquímico simple y de muy bajo coste, han fabricado cadenas lineales de nanopartículas de plata sobre la superficie del láser. El efecto plasmónico de las cadenas de nanopartículas de plata produce una drástica reducción de la potencia umbral de bombeo, obteniéndose acción láser en las regiones adyacentes a las nanopartículas con una eficiencia 15 veces superior a la obtenida en el láser convencional.

El trabajo, que ha sido 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 y que son capaces de cubrir el amplio rango espectral que va desde el ultravioleta al infrarrojo.

Entre las aplicaciones que podrían beneficiarse de estos sistemas se encuentran la fotolitografía (accediéndose a tamaños característicos muy por debajo de los límites alcanzados actualmente por los láseres convencionales), la bio-detección con sensibilidad ultra-extrema, la posibilidad de 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.

Luisa E. Bausá, Universidad Autónoma de Madrid

P. Molina, E. Yraola, M.O. Ramírez, C. Tserkezis, J.L. Plaza, J. Aizpurua, J. Bravo-Abad and L.E. Bausá. “Plasmon assisted Nd3+ based solid-state nanolaser” Nano Letters 16, 895-899 (2016).