La Universidad de Salamanca, pionera en la investigación sobre luz estructurada ultravioleta

La Universidad de Salamanca lidera la nueva e innovadora investigación internacional sobre luz estructurada ultravioleta, recién publicada por la prestigiosa revista Optica, en la que se demuestra la generación de luz de alta frecuencia con una estructura única que conecta una geometría espiral con múltiples direcciones de vibración.

El estudio, fruto de una colaboración teórico-experimental internacional entre el Grupo de Aplicaciones del Láser y Fotónica de la Universidad de Salamanca, la Universidad Paris-Saclay y la Colorado School of Mines, se enmarca dentro del proyecto europeo ERC ATTOSTRUCTURA (851201).

Una de las permanentes prioridades en el ámbito de la óptica es controlar las propiedades de la luz. Moldear la luz hasta conseguir la estructura idónea para cada aplicación supone “un gran reto, ya que es necesario ajustar múltiples parámetros de manera simultánea”, explican a Comunicación USAL los autores del trabajo y miembros del Departamento de Física Aplicada de la institución académica salmantina.

En palabras de los científicos, “la generación de luz vectorial helicoidal de alta frecuencia supone una nueva herramienta disponible para explorar escenarios inéditos en la interacción de la luz con la materia”. En particular, las singularidades de los vórtices vectoriales “abren perspectivas prometedoras en ámbitos diversos como el magnetismo ultrarrápido, los materiales topológicos, la nanotecnología o las técnicas de imagen de alta resolución”, destacan.

Ilustración sobre la transferencia de propiedades de la luz infrarroja al ultravioleta extremo mediante la generación de armónicos de orden alto en un gas noble. El vórtice vectorial de alta frecuencia tiene una distribución de polarización azimutal y una fase helicoidal.

Tecnología láser

Las ondas electromagnéticas se caracterizan por propiedades como la rapidez, dirección y estado de las oscilaciones, así como por su distribución en el espacio. Estas magnitudes definen la frecuencia, polarización y fase del campo electromagnético. Ahora bien, el desarrollo de la tecnología láser ha permitido que “podamos estructurar un haz de luz, es decir, crear una distribución espacial de fase y con diferentes polarizaciones”.

Mientras que estructurar la luz visible es relativamente sencillo, en el régimen de la radiación ultravioleta, los rayos X o los rayos gamma, es mucho más complicado, “debido a que la mayoría de los dispositivos convencionales no son eficientes para estas radiaciones de alta frecuencia. Por tanto, existe una falta de elementos ópticos para manipular la luz en ese rango espectral, más allá de la luz visible”, subrayan los investigadores de la USAL.

Configuración única de luz ultravioleta

La investigación teórica y experimental publicada en la revista Optica demuestra la producción de un tipo de haz láser en el ultravioleta extremo con un diseño especial en fase y en polarización. La distribución de fase presenta una estructura helicoidal característica de los vórtices de luz o “remolinos de luz”, objeto de varios trabajos anteriores del grupo de Grupo de Aplicaciones del Láser y Fotónica de la Universidad de Salamanca.

Por otro lado, en este tipo de haz, la distribución de polarización se encuentra ligada a la estructura de fase. Estas formas de luz se denominan vórtices vectoriales, debido a que la estructura es análoga a la de un remolino con diferentes direcciones de vibración. Se trata, pues, de un haz de luz que combina las propiedades de momento angular orbital de la luz asociadas a los vórtices ópticos con las del momento angular de espín de las partículas de luz, que define la polarización.

La estrategia empleada para generar vórtices vectoriales en el ultravioleta extremo se basa en transferir las propiedades desde el infrarrojo hasta el régimen de alta frecuencia a través de la interacción con los átomos de un gas noble, mediante un proceso que se denomina generación de armónicos de orden elevado.

Los autores explican que, “la idea fundamental es controlar las propiedades de la luz ultravioleta actuando sobre la luz infrarroja inicial, gracias a que toda la información está codificada en las leyes físicas de conservación”. De hecho, en este estudio se descubre también una nueva cantidad conservada en el proceso de generación de armónicos, la carga topológica de Pancharatnam, que incluye en su definición tanto el espín como el momento angular orbital del haz de luz.

Fig. (a) Intensidad de polarización vertical de campo lejano del armónico 25 impulsado por un vórtice vectorial azimutal deℓ = 2en los diferentes modelos teóricos: TSM despreciando la fase intrínseca (izquierda), TSM con la fase intrínseca de trayectorias cortas (centro), y el cálculo SFA cuántico completo (derecha). Un cambio de polarización espacial surge solo cuando se incluye la fase intrínseca. ( b ) Estructura espaciotemporal helicoidal con polarización azimutal resultante del cálculo de SFA.

Consorcio de investigación

La demostración de esta configuración única de luz ultravioleta resulta de una propuesta teórica desarrollada por Alba de las Heras, Julio San Román, Javier Serrano, Luis Plaja y Carlos Hernández-García del Grupo de Investigación en Aplicaciones del Láser y Fotónica de la Universidad de Salamanca (https://laser.usal.es/alf), demostrada posteriormente en los laboratorios colaboradores de la Universidad Paris-Saclay (Francia) y de la Colorado School of Mines (Estados Unidos).

Este trabajo ha recibido financiación del Consejo Europeo de Investigación (ERC) dentro del programa de investigación e innovación de la Unión Europea Horizonte 2020.

Publicación científica: A. de las Heras, A. K. Pandey, J. San Román, J. Serrano, E. Baynard, G. Dovillaire, M. Pittman, C. Durfee, L. Plaja, S. Kazamias, O. Guilbaud, and C. Hernández-García. “Extreme-Ultraviolet Vector-Vortex Beams from High Harmonic Generation”, Optica (2021). https://doi.org/10.1364/OPTICA.442304