Científicos de Viena y Moscú han creado un láser de alta energía del espectro de infrarrojo medio lo suficientemente potente como para crear filamentos brillantes en el aire a través de un proceso de ignición. Tales dispositivos podrían utilizarse para detectar sustancias químicas en la atmósfera.

Foto de Portada Equipo Fotónica Crédito Universidad de Viena: Skirmantas Alisauskas, Giedrius Andriukaitis, Tobias Floery, Andrius Baltuska, Audrius Pugzlys, Valentina Shumakova (de izquierda a derecha).

Cuando se lanza un pulso de láser extremadamente intenso a través del aire, este puede concentrarse en sí mismo, creando un estrecho filamento de luz. Disparando dichos filamentos hacia el cielo y analizando la luz dispersada que es devuelta hacia atrás, podría ser posible rastrear los contaminantes existentes en la atmósfera que quedan al descubierto con esta luz.

Para lograr esto, se requieren láseres con longitudes de onda del infrarrojo medio (de 2.5 µm a 50 µm). Sin embargo, llegar a la potencia crítica para producir un filamento de este tipo con haces de láser infrarrojo medio es muy difícil. En estas longitudes de onda, los filamentos de láser sólo se han conseguido producir en tubos de gas de alta presión. Ahora, un equipo de investigación austro-ruso ha conseguido construir con éxito un nuevo tipo de láser infrarrojo medio que es tan intenso que enciende filamentos láser en el aire a la presión atmosférica normal.

El aire que actúa como una lente

Normalmente, un haz de luz se difracta y diverge a medida que se propaga. Con el fin de enfocar el haz, se necesita algún tipo de lente. «Un pulso de láser intenso puede crear por sí mismo una lente de este tipo en el aire «, dice Audrius Pugzlys (Instituto de Fotónica de la Universidad de Tecnología de Viena). El índice de refracción del aire depende de la intensidad del haz. Esta intensidad no es uniforme, es más alta en el centro del haz. Esto crea una lente de enfoque en el aire.

«Esta lente iniciada por pulso de láser actúa de nuevo en el haz de láser original mediante su concentración y la creación de plasma, que a su vez tiende a desenfocar el haz», dice Skirmantas Alisauskas (Universidad Tecnológica de Viena). La interacción entre los efectos de enfoque y de desenfoque crea un filamento estrecho que puede ser de decenas de centímetros o incluso unos pocos metros de largo. Mediante la conformación espacial y temporal de los pulsos, es posible controlar la posición en el cielo donde se crea el filamento.

Las longitudes de onda más interesantes son infrarrojas

«Una vez que se crea un filamento láser brillante, genera luz infrarroja media de banda ancha que nos puede dar datos acerca de la composición química del aire», dice Audrius Pugzlys. Muchas moléculas absorben la luz en el rango espectral del infrarrojo medio de una forma muy característica, de modo que puedan ser identificadas (1) . Por lo tanto, se necesitan potentes rayos láser en el rango del infrarrojo medio para encender los filamentos y para hacer posible la detección atmosférica remota. Pero durante mucho tiempo, tales láseres de infrarrojo medio que generan pulsos de alta energía muy cortos no han estado disponibles.

Un equipo de científicos del Instituto de Fotónica de la Universidad Tecnológica de Viena ha estado trabajando desde hace años en el diseño de una fuente de impulsos ultracortos de alta energía. «Desde hace algún tiempo, ya hemos sido capaces de encender los filamentos en tubos de gas de alta presión llenos de nitrógeno u oxígeno. Pero ahora, por fin hemos logrado impulsar la energía de pulso a un nivel tal que los filamentos se producen en el aire a presión normal «, dice Skirmantas Alisauskas. El experimento se llevó a cabo junto con un equipo de investigación de Rusia, usando un sistema de láser que se instaló en el Centro Ruso Cuántico   en Moscú utilizando la tecnología de amplificación desarrollada en Viena.

Siguiente paso: un láser en el aire

Los próximos pasos ya se están planeando: En el laboratorio, el equipo ha demostrado que es posible hacer que el láser infrarrojo medio interactúe con nitrógeno de tal manera que no sólo crea un filamento de plasma brillante sino que convierte el filamento en un láser, enviando un haz de vuelta hacia la fuente emisora del de láser infrarrojo.

«Si pudiéramos obtener este mismo efecto en el filamento pero en la atmósfera, podríamos crear un láser en el cielo. Tendríamos dos haces de láser propagándose  a lo largo del mismo eje en direcciones opuestas – uno disparado por nuestra fuente de láser, el otro despedido hacia atrás por propio el aire en sí «, dice Audrius Pugzlys. «Si las moléculas de en medio son golpeados por dos láseres diferentes al mismo tiempo, es posible analizarlos de forma muy precisa a través de procesos de dispersión no lineales». El dispositivo de filamento láser infrarrojo medio podría ser utilizado algún día para medir la concentración de contaminantes sobre una ciudad o para detectar remotamente sustancias nocivas después de un accidente químico.

Nota del editor:

La materia, por su caracterización energética (véase cuerpo negro) emite radiación. En general, la longitud de onda donde un cuerpo emite el máximo de radiación es inversamente proporcional a la temperatura de éste (Ley de Wien). De esta forma la mayoría de los objetos a temperaturas cotidianas tienen su máximo de emisión en el infrarrojo. Los seres vivos, en especial los mamíferos, emiten una gran proporción de radiación en la parte del espectro infrarrojo, debido a su calor corporal. Información de Wikipedia

Fuente: Universidad de Viena

Publicación original en «Nature Scientific Reports»