Un mecanismo que transfiere energía de nitrógeno a argón permite la emisión láser en cascada bidireccional en el aire atmosférico.

23 de agosto de 2024                           característica

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por Ingrid Fadelli, , Phys.org

Para producir luz, los láseres típicamente dependen de cavidades ópticas, pares de espejos enfrentados que amplifican la luz reflejándola de un lado a otro. Recientemente, algunos físicos han estado investigando la generación de 'luz láser' en el aire libre sin el uso de cavidades ópticas, un fenómeno conocido como lasing sin cavidades en el aire atmosférico.

Investigadores de la Universidad de California Los Ángeles (UCLA) y del Instituto Max Born recientemente revelaron un mecanismo físico que lleva a este fenómeno. Este mecanismo, descrito en un artículo en Physical Review Letters, consiste en la transferencia de energía mediada por fotones de nitrógeno (N2) a argón (Ar).

'Notamos que parecía haber una reducción previamente desconocida en la tasa de ionización de Ar en el régimen de ionización de alto campo (usando un láser de bombeo de 261 nm) en comparación con la predicha por la teoría PPT o la ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo', dijo Chan Joshi, coautor del artículo, a Phys.org. 'Queríamos averiguar si la absorción resonante de 3 fotones de fotones de 261 nm en Ar podría estar jugando un papel en la reducción.'

El reciente estudio de los colegas de Joshi se basa en los esfuerzos experimentales previos del equipo. Al llevar a cabo sus experimentos nuevos, el equipo observó que la absorción de 3 fotones de fotones de 261 nm por átomos de Ar es seguida por la emisión de superfluorescencia en cascada, específicamente una emisión bidireccional y similar a un láser sin cavidades.

'Además, descubrimos inesperadamente que la superfluorescencia en cascada cambiaba de longitud de onda si usábamos aire que contiene 1% de Ar', dijo Zan Nie, el autor principal del artículo. 'Una investigación adicional de este efecto curioso descubrió un nuevo mecanismo de lasing en el aire que facilita la transferencia de energía radiativa de nitrógeno a Ar.'

El nuevo mecanismo descubierto por Joshi y sus colegas encontró que permitía el lasing bidireccional, de dos colores, en cascada en el aire atmosférico. Este mecanismo podría abrir nuevas oportunidades para la generación de lasing de aire hacia atrás, que ha sido un objetivo de investigación de larga data en la comunidad de físicos.

'Dado que el aire ambiental tiene diferentes componentes, investigamos este problema mezclando primero argón con diferentes componentes del aire ambiental, por ejemplo, los componentes más abundantes y el segundo más abundante: nitrógeno y oxígeno', explicó Joshi. 'Resultó que mezclar nitrógeno con argón mostró los mismos resultados que usar aire ambiental, mientras que mezclar otros gases como oxígeno o helio no mostró los mismos resultados. Por lo tanto, mediante este experimento de comparación, podemos deducir que el origen del lasing del aire se debió al acoplamiento entre argón y nitrógeno.'

Joshi y sus colegas también mostraron que las moléculas de N2 en un estado excitado electrónicamente exhiben absorción no lineal de 3 fotones para 261 nm en frecuencias ligeramente desplazadas que Ar. Este desplazamiento sirve como el estado excitado superior para la superfluorescencia en cascada que observó el equipo. En su artículo, los investigadores introducen un modelo teórico que explica la superfluorescencia y sus mecanismos subyacentes.

'La búsqueda de lasing sin cavidades eficaz en el aire abierto ha estado en curso desde hace más de una década', dijo Misha Ivanov, coautor del artículo. 'El objetivo clave, y bastante desafiante, es lograr el lasing en ambas direcciones. Es decir, quieres disparar un láser en el aire y hacer que el aire dispare una ráfaga de luz similar a un láser de vuelta a ti. Esto sería muy útil para la detección remota, pero es simplemente increíblemente genial.'

Este reciente estudio de Nie, Ivanov, Joshi y sus colegas reveló un mecanismo previamente desconocido mediado por fotones que transfiere energía de N2 a Ar, lo que permite finalmente el lasing bidireccional en cascada en el aire atmosférico. En el futuro, este mecanismo podría ser aprovechado para realizar lasing de aire hacia atrás, lo que podría abrir nuevas oportunidades para el desarrollo de tecnologías de detección remota.

'Nuestro plan para futuras investigaciones es investigar más detalladamente la física de este mecanismo, como las superposiciones cuánticas', agregó Nie. 'En pocas palabras, la excitación simultánea de múltiples niveles en Ar produce oscilaciones temporales de la densidad de carga. Las frecuencias de estas oscilaciones pueden revelar la existencia de los niveles previamente desconocidos no solo de Ar, sino también de los niveles de vibración-rotación de nitrógeno que son importantes en el proceso de acoplamiento radiativo.

'También tenemos ideas para aumentar la eficiencia del lasing de aire hacia atrás para promover esta técnica más cerca de las aplicaciones reales de detección remota.'

Información adicional: Nie, Z. et al. Bidireccional superfluorescencia cascada en el aire habilitada por intercambio de fotones armónicos resonantes de tercer orden de nitrógeno a argón, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.063201. En arXiv: arxiv.org/abs/2405.04089 Información del diario: Physical Review Letters arXiv © 2024 Science X Network