Un solitón óptico se define como un haz de luz que mantiene su forma mientras viaja, gracias a un balance entre la difracción – tendencia natural a ensancharse – y la nolienalidad – tendencia a auto enfocarse – del medio en el que se propaga.

El investigador Dr. Rodrigo Vicencio, quien junto al estudiante de magíster Diego Guzmán son los responsables de este logro, destaca que “como primer experimento nos propusimos observar la localización de luz en un cristal fotorrefractivo SBN61, de dimensiones 5 x 5 x 5 mm3, al que se le aplica alto voltaje (AV). Mediante este voltaje externo se puede controlar en signo y magnitud la respuesta no lineal del cristal, lo que permite la realización de una gran diversidad de experimentos. Para ésto enfocamos un láser de 532 nm y 20µW de potencia en la cara incidente del cristal, con un ancho a media altura de 10.6 (7.2) µm en la dirección horizontal”. Agrega que “al observar la cara de salida del cristal se puede observar cómo, sin aplicar AV, el haz difracta expandiéndose hasta tener un ancho de 35 (49) µm –aumentando entre 3 a 7 veces su tamaño. En tanto, al aplicar e incrementar lentamente el AV, los investigadores observaron cómo el haz de salida comenzó a localizarse (enfocarse). Es así como para un voltaje de 2.75 kV “logramos obtener  un haz con, esencialmente, las mismas dimensiones que el de la entrada: 8.4 (7.8) µm”, destaca Rodrigo Vicencio, agregando que “esto es por definición un solitón, una onda solitaria que se propaga a través de un medio físico sin alterar su forma”. Para lograr una respuesta no lineal más homogénea en el cristal, inyectaron lateralmente luz láser de 488 nm (cian) y 25 mW de potencia.

En 1996, un grupo de la Universidad de Princeton, fue el primero en realizar un experimento de estas características. “Eso quiere decir que en Chile llevamos unos dieciséis años de retraso en cuanto a experimentación en ésta área. Esperamos en los próximos meses observar un solitón óptico discreto en un cristal fotónico no lineal, en una y dos dimensiones, lo que reduciría la brecha y nos dejaría a menos de diez años de los grupos experimentales más importantes a nivel mundial, marcando una senda clara hacia la consolidación de este nuevo espacio experimental para nuestro país, en el que como grupo de Óptica no Lineal de CEFOP, esperamos aportar con fuerza a un mayor posicionamiento de nuestra ciencia a nivel mundial”, asegura el investigador.

Nuevo laboratorio y próximos desafíos

La observación del primer solitón en Chile, fue posible gracias a la puesta en marcha del nuevo laboratorio de la División de Óptica no Lineal de CEFOP, el 30 de septiembre de 2011. La línea principal que se desarrolla en estas nuevas instalaciones consiste en el estudio de la propagación lineal y no lineal de haces ópticos en estructuras periódicas inducidas en cristales fotorrefractivos. “Nuestra meta para los próximos dos años es controlar la técnica de inducción óptica, y ser capaces de generar cualquier tipo de cristal fotónico (estructura periódica o aperiódica en la que el índice de refracción es una función del espacio), en una, dos y tres dimensiones. De esta manera podremos estudiar libremente cómo se propaga la luz en esos cristales y cuál será el efecto de una respuesta no lineal del medio”, afirma el investigador.

El método de inducción consiste en generar un patrón de interferencia dentro de un cristal fotorrefractivo con una modulación espacial definida por los haces que generan este patrón. “Estos cristales poseen electrones muy libres, por lo que las cargas difunden hacia zonas en las que la intensidad lumínica es menor. Como los patrones de interferencia son, en general, periódicos, la distribución de electrones también lo será induciendo, de esta forma, un patrón periódico del índice de refracción, es decir, un cristal fotónico. En una dimensión será como tener, por ejemplo, un conjunto de fibras ópticas equiespaciadamente puestas una al lado de la otra. La cercanía entre las guías permite que la luz pueda saltar entre ellas, y que, por lo tanto, la información óptica pueda viajar de un lugar a otro. Sin embargo, para realizar este tipo de operaciones de manera controlada, se deben considerar otras propiedades de la naturaleza como la nolinealidad del material. Por ejemplo, para enviar una información controladamente a través de un cristal fotónico es fundamental que la luz se mantenga espacialmente localizada. Una nolinealidad de tipo enfocante serviría para realizar esta tarea, haciendo que la luz se guíe a sí misma. Mientras más luz haya, más enfocada estaría, ya que el índice de refracción del material depende de la intensidad presente en él”, agregó Rodrigo Vicencio.

Abstract:
The state of spatially correlated down-converted photons is usually treated as a two-mode Gaussian entangled state. While intuitively this seems to be reasonable, it is known that new structures in the spatial distributions of these photons can be observed when the phase-matching conditions are properly taken into account. Here, we study how the variances of the near- and far-field conditional probabilities are affected by the phase-matching functions, and we analyze the role of the EPR-criterion regarding the non-Gaussianity and entanglement detection of the spatial two-photon state of spontaneous parametric down-conversion (SPDC). Then we introduce a statistical measure, based on the negentropy of the joint distributions at the near- and far-field planes, which allows for the quantification of the non-Gaussianity of this state. This measure of non-Gaussianity requires only the measurement of the diagonal covariance sub-matrices, and will be relevant for new applications of the spatial correlation of SPDC in CV quantum information processing.

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Expertos en el área están dando a conocer la fundamentación física y tecnológica de los sistemas LIDAR, basados en una técnica trascendental en relación con el estudio de la contaminación atmosférica.

La contaminación es un problema que afecta gravemente a gran parte de nuestro planeta. Es por eso que cada día se buscan nuevas formas y tecnologías para medirla y así poder generar medidas de mitigación, como lo es por ejemplo, nombrar zonas de latencia. LIDAR es una de las técnicas científicas para medir este problema, siendo cada vez más utilizado.

Abordar esta tecnología, sus implicancias y evolución, es lo que se está desarrollando en la V Escuela de Verano de Óptica y Fotónica, organizada por el Centro de Óptica y Fotónica (CEFOP) de la Universidad de Concepción, financiado por el Programa de Financiamiento Basal, Conicyt. Sus aplicaciones son de gran relevancia científica y social en el estudio de la contaminación atmosférica y sus efectos, explicó una de sus organizadoras, la Dra. Elena Montilla, quien además es investigadora del laboratorio LIDAR, perteneciente a CEFOP.

La investigadora aseguró que la importancia de esta técnica no sólo radica en los detalles que permiten conocer acerca de la evolución de la composición atmosférica, sino también, desde un punto de vista social, “puesto que en la época que estamos viviendo, es muy importante conocer cuál es la evolución de la contaminación atmosférica”.

Para el Dr. Carlos Saavedra, Director Científico de CEFOP, con esta escuela es generar posibilidades muy concretas de colaboración con investigadores en tecnología LIDAR en Sudamérica, en particular con los investigadores de Argentina, Brasil y Colombia. “Nos interesa conversar con ellos, y discutir programas de largo plazo, en donde nuestro laboratorio LIDAR, se incorpora al programa mundial de observaciones LIDAR para los distintos temas, en los que se están concentrando”.

Pero al mismo tiempo, acotó Saavedra, “nos interesa que nuestros estudiantes, de la Universidad de Concepción y los que nos visitan, tengan la posibilidad de conocerse e integrarse a este tipo de actividades y puedan ser parte de los desafíos futuros. Hoy hemos comenzado las discusiones de algunos programas, complementarios de colaboración, no sólo con LIDAR, sino que también con tecnología DOAS, que probablemente iniciemos una colaboración con Argentina, con los investigadores encabezados por el Dr. Elián Wolfram”.

FUERTE EVOLUCIÓN

El Dr. Elián Wolfram, es uno de los mayores especialistas en la técnica LIDAR de Argentina e integra el Centro de Investigaciones en Láseres y Aplicaciones, del país trasandino. En su primer día de exposiciones en la Escuela, aseguró que ésta es una “fantástica iniciativa del CEFOP, porque permite generar lazos entre comunidades americanas, especialmente de las latinoamericanas, que necesitamos reforzar”.

Agregó que Chile ha crecido muchísimo, y tomó como ejemplo el Centro de Óptica y Fotónica de la UdeC, donde destacó que la capacidad del desarrollo experimental, “es realmente un salto cuántico. Las universidades de excelencia en el mundo hacen física teórica fácilmente, pero no experimental, y aquí vemos una demostración de que la parte experimental, de la aplicación de sus conocimientos, ha tomado un valor importante”.

Respecto a la tecnología LIDAR, puntualizó que ya es un instrumento de gran importancia para observaciones de fenómenos de gran impacto social, “como puede ser la capa de ozono, la polución urbana o, en general, las erupciones volcánicas que tanto nos están afectando en estos días. Entonces, el LIDAR se está convirtiendo en una herramienta de uso casi cotidiano, en grupos de investigación o centros que necesiten de esta información con gran precisión”.

CÓMO FUNCIONA

El Dr. Álvaro Bastidas, del Grupo de Espectroscopia Láser de la Universidad Nacional de Colombia, precisó que el principio de operación de los sistemas LIDAR se basa en el envío de radiación láser pulsada a la atmósfera, y en el análisis de una fracción de la radiación retro difundida por las partículas atmosféricas existentes, a lo largo del camino óptico recorrido por los pulsos cortos de luz láser. “Esta pequeña cantidad de luz que retorna hacia el punto desde el que se disparó el láser, es recogida por un telescopio y adecuadamente detectada”.

Luego, prosiguió, después de un delicado y complejo procesado de estas señales, “ya es posible obtener información valiosa sobre la distribución espacial de las partículas a lo largo de la trayectoria seguida por la luz láser, así como una caracterización de diferentes parámetros ópticos atmosféricos relevantes, asociados con las partículas atmosféricas conocidas como aerosoles”.

Según bastidas, un instrumento LIDAR funciona como un auténtico radar óptico, “cuyo diseño y utilidad se centra en el estudio de las partículas materiales atmosféricas, cuyo papel en el balance energético de la Tierra, y sus implicaciones sobre las futuras condiciones climáticas, es un importante tema de investigación en la actualidad”.

Quienes estén interesados, deben contactarse con los siguientes investigadores:

Tema: “Microscopía de desenfoque para el estudio de membranas biológicas”

Dra. María José Gallardo

Correo electrónico: mgallardo@cefop.udec.cl

Fono: (041)-2661339 / (041) – 2661371

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Tema: “Óptica y estudios termodinámicos de sistemas microscópicos”

Dr. Juan Pablo Staforelli

La Escuela constará de cuatro mini – cursos y diversos seminarios, en los que participan como conferencistas el Dr. Álvaro Bastidas, profesor y Director del Grupo de Espectroscopía Láser de la Universidad de Colombia; el Dr. David Whiteman, científico atmosférico LIDAR en el NASA GSFC’s Code 613.1 Raman Lidar Group; Dr. Eduardo Landulfo, científico del Instituto de Investigaciones Energéticas y Nucleares del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico de Brasil; y el Dr. Elián Wolfram, científico de la División LIDAR del Centro de Investigaciones en Láseres y Aplicaciones (Argentina).

Quienes estén interesados en participar, lo pueden hacer en el siguiente link: http://www.cefop.cl/schools/?page_id=798

Más información en: http://www.cefop.cl/schools/?page_id=764

En tanto, esta semana se está desarrollando la IV Escuela de Verano en Óptica y Fotónica 2012. Ésta, tiene como tema central la Opto – electrónica y ha reunido a destacados investigadores: Dr. Michael Gehm, académico del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Computación de la Universidad de Arizona (EE.UU.) y miembro del Colegio de Ciencias Ópticas de la misma universidad; Dr. José Haus, Director y profesor del Programa de Electro – Óptica de postgrado, de la Universidad de Dayton (EE.UU.); Dr. James Wyant, Decano de la Facultad de Ciencias Ópticas de la Universidad de Arizona (EE.UU.)  y Dr. Payman Zarkesh, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Computación, de la Universidad de Nuevo México (EE.UU.), quienes han dictado una serie de mini-cursos en torno a la opto-electrónica.

El Dr. Sajeev John es admirado por sus pares en el mundo de los físicos. Y es que no sólo ha estado tres veces a un paso de ser Nobel, sino que cuenta con una investigación que ya revoluciona el mundo de la informática, al construir materiales que podría  ser usado para crear chip de computadoras, que funcionen mil veces más rápido y con un gasto de energía mucho menor.

Estos materiales son conocidos actualmente como “cristales fotónicos”, en base al cual ha trabajado Sajeev John durante años, creando primero un marco teórico de estos materiales especiales que pueden atrapar luz en el rango de las longitudes de onda empleadas en fibras ópticas en telecomunicaciones.

Posteriormente, construyendo por primera vez uno de estos materiales junto a un grupo de expertos en materiales y química. Esta experiencia y su evolución es lo que John expuso a los integrantes del Centro de Óptica y Fotónica (CEFOP) de la Universidad de Concepción, luego de recorrer los laboratorios de este Centro y de conocer la ciudad. “He quedado muy impresionando con este Centro, con lo que aquí están desarrollando y las aplicaciones para distintas áreas”, señaló el investigador.

Esta creación ha cruzado toda la vida académica de Sajeev John, ya que partió con la presentación del marco teórico de los cristales fotónicos en su tesis doctoral en Harvard, la que luego refinó mientras trabajaba en Princeton, para después llegar a la realidad en su actual casa de estudios, la Universidad de Toronto. Es así como él, y sus colegas investigadores, han ido mejorando la teoría y las técnicas experimentales para la generación de estos materiales con capacidades de atrapar la luz.

Según Sajeev John, los cristales fotónicos pueden tener múltiples aplicaciones, por ejemplo en las telecomunicaciones, específicamente como sustituto de la fibra óptica, generar computadores más poderosos y rápidos, e incluso utilizando los cristales para cirugías láser, donde no existe la necesidad de realizar cortes en el cuerpo. Agregó que desde hace años, son muchos los países que vienen trabajando con este material, en la búsqueda de soluciones para diversas áreas.

¿Qué son?

De acuerdo a lo explicado por Sajeev John, la mejor manera de saber qué son los cristales fotónicos, es entendiendo que la luz se escapa fácilmente y el punto está en lograr conseguir una “jaula” ideal para encerrarla y restringir sus diversos canales de escape. Ahí entran los cristales fotónicos que, en definitiva, son una jaula para la luz y que permiten conducirla al interior de ellos.