El analizador de espectro óptico Shimadzu contribuye a la investigación sobre las ondas de terahercios, una región del espectro electromagnético madura para el desarrollo.

Uno de los frutos del intelecto humano ha sido la explotación de las ondas electromagnéticas. La luz y las ondas electromagnéticas son, como el aire que nos rodea, inagotables. La humanidad, fascinada por esta maravilla, ha sistematizado sus principios básicos mediante la experimentación y la investigación constantes. Como resultado, nuestras vidas se han enriquecido gracias a la creación de diversas herramientas. Algunos ejemplos incluyen la imagen por rayos X, los hornos microondas y la comunicación por fibra óptica, que utiliza la luz.

 

Un futuro en el que se busca la explotación de las ondas de terahercios

A medida que avanzan las aplicaciones prácticas de las ondas electromagnéticas, las ondas de terahercios son la única región del espectro donde la implementación práctica no ha avanzado. Las ondas de terahercios se encuentran en una banda de frecuencia entre la luz y las ondas de radio. Se caracterizan por su combinación de rectitud, como la de los rayos láser, y la permeabilidad de las ondas de radio. Sin embargo, tienen una energía extremadamente baja para la luz y una frecuencia muy alta para las ondas de radio, lo que dificulta su generación y detección. Por consiguiente, los investigadores de la luz y las ondas de radio consideran que esta región del espectro es muy difícil de manejar.

Sin embargo, la importancia de las ondas de terahercios ha aumentado en los últimos años. La popular tecnología 5G utiliza la banda de frecuencia de ondas milimétricas, pero existe el riesgo de que las comunicaciones se sobrecarguen en el futuro debido al aumento del tráfico. El uso del ancho de banda de ondas de terahercios, aún más alto, para la tecnología 6G de próxima generación es actualmente un foco de atención. La investigación se está acelerando a nivel mundial para implementarlo. Además, las ondas de terahercios tienen la propiedad de penetrar papel, plástico, fibra y otras sustancias. Sin embargo, su energía es menor en comparación con los rayos ultravioleta y los rayos X, por lo que tienen un efecto mínimo en el cuerpo humano. Si se utilizan ondas de terahercios, simplificarían los controles de seguridad de personas y envíos postales, por lo que se espera que se apliquen en la práctica, por ejemplo, en la lucha contra el terrorismo.

Los analizadores de espectro óptico Shimadzu se utilizan en el laboratorio RIKEN, un centro de investigación líder a nivel mundial para ondas de terahercios.

Dr. Hiroaki Minamide, Director del Equipo de Investigación Tera-Photonics,
Centro RIKEN de Fotónica Avanzada, RIKEN

Hiroaki Minamide, de RIKEN*, continúa esta investigación con el objetivo de aprovechar al máximo estas ondas de terahercios. Minamide comenzó a investigar estas ondas hace 25 años y descubrió un método eficiente para generarlas, algo que hasta la fecha ha sido difícil. En septiembre de 2024, logró desarrollar una fuente de ondas de terahercios de alto brillo, lo suficientemente pequeña como para caber en la palma de la mano. Actualmente, continúa con la investigación para aprovecharla al máximo.

* RIKEN, la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo, es la institución de investigación integral más grande de Japón, fundada en 1917.

Fuente portátil de ondas de terahercios anunciada por RIKEN en septiembre de 2024 (Foto proporcionada por RIKEN)

El analizador de espectro óptico Shimadzu SPG-V500 contribuyó a esta investigación. Los analizadores de espectro óptico son instrumentos que analizan la longitud de onda y la intensidad de la luz. Se utilizan generalmente para analizar fuentes láser en campos como las comunicaciones ópticas.

Analizador de espectro óptico SPG-V500 en el laboratorio del equipo de investigación terafotónica de RIKEN (Campus de Sendai)

Minamide señala: "Aprendí que la longitud de onda de la luz se podía medir en tiempo real con el Shimadzu SPG-V500 y, si ese fuera el caso, entonces se podrían anticipar avances en la investigación".

El equipo de investigación en terafotónica que lidera Minamide se encontraba en pleno desarrollo de un detector para su uso simultáneo con la fuente. La detección de una señal específica es indispensable para verificar la generación de ondas de terahercios. Sin embargo, el equipo no logró detectar esta señal a pesar de sus esfuerzos.

Si no se puede detectar la señal, la investigación no puede avanzar. Para ello, dos investigadores dedicaron varios meses a realizar ajustes y mediciones repetidas, sin éxito. Justo cuando estaba al borde del colapso, una línea en la propuesta del SPG-V500 que decía "función de medición en tiempo real" me llamó la atención. Me pareció que me estaba agarrando a un clavo ardiendo, pero aun así me puse en contacto. Pedí prestado un modelo de demostración, intenté realizar ajustes y mediciones como de costumbre, y me sorprendí. Se encontró la señal deseada. Salté de alegría con todos en el laboratorio, gritando: "¡Lo logramos! ¡Lo encontramos!".

El Dr. Hiroaki Minamide del RIKEN (centro) y los investigadores (en ese momento) Dra. Deepika Yadav (actualmente residente en India, en pantalla) y Dr. Yuma Takida (extremo izquierdo) recuerdan el momento en cuestión.

El personal de desarrollo se enorgullecía de la alta resolución espectral y la tecnología de medición en tiempo real.

Personal de desarrollo del SPG-V500, de izquierda a derecha: Ryosuke Nishi, Tomoari Kobayashi, Hiroaki Nishihara y Ryoji Hiraoka (Grupo de Aplicaciones, Departamento de Dispositivos).

Los instrumentos que miden la "luz" también desempeñaron un papel en la investigación de las ondas de terahercios, un tipo de onda electromagnética. Nadie se sorprendió más con esta noticia que los desarrolladores del SPG-V500. Ryoji Hiraoka, miembro del equipo de desarrollo, comentó: «Nunca imaginé que el SPG-V500 desempeñaría un papel en la investigación de las ondas de terahercios».

Personal de desarrollo Ryoji Hiraoka

La fuente de ondas de terahercios desarrollada por Minamide utiliza un láser pulsado que genera instantáneamente pulsos con duraciones de una milmillonésima de segundo o menos. Por lo tanto, realizar mediciones con un analizador de espectro óptico de uso general resultaba difícil.

Hiraoka, quien formó parte del equipo de desarrollo, comentó: «El desarrollo del SPG-V500 partió de la idea de crear un analizador de espectro óptico fácil de usar que contribuyera a la investigación láser. En Shimadzu hay departamentos que realizan investigación láser, y cuando contacté con ellos, me enteré de que se enfrentaban a diversas dificultades. Para resolverlas, pensé que se necesitaba un instrumento que pudiera proporcionar simultáneamente alta resolución espectral e información de longitud de onda en un rango determinado, y así encontré mi concepto de desarrollo».

Los analizadores de espectro óptico de uso general no podían medir la luz generada instantáneamente. Esto se debe al método de medición, que consiste en escanear la luz a lo largo del tiempo. Por ello, con el SPG-V500, se adoptó un método de medición de tipo policromador en lugar de uno de tipo escaneo. El instrumento está equipado con un sensor de matriz (un conjunto de pequeños sensores) que le permite obtener información de longitud de onda en un rango determinado simultáneamente.

Ryosuke Nishi, personal de desarrollo y ventas, responsable de las mejoras del SPG-V500

Este método utiliza tecnología patentada de Shimadzu y también es eficaz para detectar saltos de modo (cambios repentinos en la longitud de onda de la luz), la principal causa del ruido láser. Si se pudiera suprimir el salto de modo, se podría esperar una mejora en la calidad de las fuentes láser, lo cual podría ser útil en diversos campos de investigación láser, no solo en ondas de terahercios. Me gustaría contribuir a una revolución tecnológica en diversos campos, incluyendo las técnicas de detección para lograr vehículos autónomos, así como las comunicaciones ópticas.

De izquierda a derecha: Hiroaki Minamide y Yuma Takida de RIKEN, y Ryoji Hiraoka, Satomi Sakamoto y Ryosuke Nishi de Shimadzu Corporation. En el centro, el analizador de espectro óptico SPG-V500.