Los láseres de disco fino de iterbio allanan el camino para la detección sensible de contaminantes atmosféricos

La capacidad del láser para generar pulsos estables y de alta potencia en el rango SWIR cambia las reglas del juego de la espectroscopia de campo resuelto y la fieldoscopia de femtosegundos

19.11.2024

El oscilador paramétrico óptico bombeado por láser de disco fino de iterbio.

Axel Griesch

Junto con el dióxido de carbono, el metano es un factor clave del calentamiento global. Para detectar y controlar con precisión estos contaminantes climáticos en la atmósfera, los científicos del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz (MPL) han desarrollado una avanzada tecnología láser. Un láser de disco fino de iterbio de alta potencia acciona un oscilador paramétrico óptico (OPO) para generar pulsos estables de alta potencia en el rango espectral del infrarrojo de onda corta (SWIR). Esto permite a los investigadores detectar y analizar una amplia variedad de compuestos atmosféricos. Este novedoso método puede desempeñar un papel crucial en el seguimiento de los ciclos de los gases de efecto invernadero y los efectos del cambio climático, y se ha publicado recientemente en la revista APL Photonics.

Los contaminantes de vida corta desempeñan un papel fundamental en el calentamiento global. Por ejemplo, el metano es de especial relevancia para el efecto invernadero global porque su potencial de calentamiento es 25 veces superior al del dióxido de carbono. Sin embargo, detectar y controlar estos contaminantes es un reto por dos razones. En primer lugar, el vapor de agua interfiere y se solapa con los espectros de absorción de muchos gases en los rangos infrarrojos estándar utilizados normalmente para su detección. En segundo lugar, estos contaminantes son difíciles de detectar debido a su presencia volátil en la atmósfera. Al centrarse en el rango SWIR, donde contaminantes como el metano absorben fuertemente mientras que la absorción de agua sigue siendo mínima, el nuevo sistema láser ofrece una sensibilidad y precisión de detección sin precedentes.

El láser de disco fino de iterbio, que produce pulsos de femtosegundos de alta potencia a velocidades de repetición de megahercios, es el elemento central de esta innovación. Esto permite al sistema bombear un OPO, convirtiendo los pulsos láser a la gama SWIR con una potencia e intensidad notables. Al funcionar al doble de la velocidad de repetición del láser de bombeo, el OPO emite pulsos SWIR estables y sintonizables, optimizados para aplicaciones espectroscópicas de alta sensibilidad. El enfoque pionero del equipo también integra la modulación de banda ancha y alta frecuencia de la salida del OPO, lo que permite mejorar la relación señal-ruido, proporcionando una precisión de detección aún mayor.

"Gracias a la escalabilidad de potencia de los láseres de disco fino de iterbio, la salida de nuestro sistema láser puede escalarse a potencias medias y máximas más elevadas. El empleo del sistema para la detección precisa de contaminantes en tiempo real permite profundizar en la dinámica de los gases de efecto invernadero. Esto podría ayudar a abordar algunos de los retos a los que nos enfrentamos a la hora de entender el cambio climático", afirma Anni Li, estudiante de doctorado en el MPL.

La capacidad del láser para generar pulsos estables de alta potencia en el rango SWIR cambia las reglas del juego de la espectroscopia de campo resuelto y la fieldoscopia de femtosegundos, métodos que permiten a los investigadores detectar y analizar una amplia gama de compuestos atmosféricos con interferencias mínimas.

"Esta nueva tecnología no sólo es aplicable a la vigilancia atmosférica y la detección de gases, sino que también tiene potencial para otros campos científicos, como la comunicación en órbita terrestre, donde se necesitan láseres modulados de gran ancho de banda", afirma Hanieh Fattahi, investigadora principal del proyecto. Los investigadores tienen previsto seguir desarrollando el sistema con el objetivo de crear una plataforma versátil para la vigilancia de contaminantes en tiempo real y las comunicaciones ópticas tierra-espacio.

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Publicación original

Anni Li, Mehran Bahri, Robert M. Gray, Seowon Choi, Sajjad Hoseinkhani, Anchit Srivastava, Alireza Marandi, Hanieh Fattahi; "0.7 MW Yb:YAG pumped degenerate optical parametric oscillator at 2.06 μm"; APL Photonics, Volume 9, 2024-10-24

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