Για δεκαετίες, τα εξαιρετικά γρήγορα λέιζερ ήταν από τα πιο ισχυρά εργαλεία στη σύγχρονη οπτική. Οι παλμοί τους διαρκούν μόλις μερικές εκατοντάδες femtoseconds ή ένα τέταρτο του δευτερολέπτου, επιτρέποντας τεχνολογίες που κυμαίνονται από την κατασκευή ακριβείας και τη χειρουργική των ματιών έως τις χτένες οπτικών συχνοτήτων, τη βραβευμένη με Νόμπελ εφεύρεση που τροφοδοτεί το πιο ακριβές οπτικό ατομικό ρολόι στον κόσμο.
Παρά τη σημασία τους, αυτά τα λέιζερ παραμένουν ουσιαστικά μεγάλα, ακριβά συστήματα που καταλαμβάνουν ολόκληρους οπτικούς πίνακες.
Τώρα, ο καθηγητής EPFL Tobias J. Ερευνητές με επικεφαλής τον Kippenberg πέτυχαν μια σημαντική ανακάλυψη που θα μπορούσε να συρρικνώσει δραματικά την τεχνολογία. γραμμένο σε η φύσηΗ ομάδα αναφέρει το πρώτο ενσωματωμένο υπερταχύ λέιζερ ικανό να ταιριάζει με την απόδοση των παραδοσιακών επιτραπέζιων λέιζερ femtosecond. Η συσκευή παρέχει ενέργεια παλμού 1,05 nanojoules και διάρκεια παλμού 147 femtoseconds, όλα από ένα μόνο φωτονικό τσιπ.
Φέρνοντας εξαιρετικά γρήγορα λέιζερ σε φωτονικά τσιπ
Τα φωτονικά τσιπ χειρίζονται το φως χρησιμοποιώντας μικροσκοπικές δομές που ονομάζονται κυματοδηγοί που είναι χαραγμένες στη γκοφρέτα. Με τον ίδιο περίπου τρόπο που τα ηλεκτρονικά τσιπ κατευθύνουν τα ηλεκτρικά σήματα, τα φωτονικά τσιπ καθοδηγούν και επεξεργάζονται το φως.
Αυτά τα τσιπ χρησιμοποιούνται ήδη ευρέως στις τηλεπικοινωνίες και έχουν βοηθήσει στη μικρογραφία πολλών οπτικών τεχνολογιών που προηγουμένως απαιτούσαν πολύ μεγαλύτερο εξοπλισμό.
«Για περισσότερα από είκοσι χρόνια, ένα λέιζερ femtosecond υψηλής ισχύος σε ένα τσιπ θεωρούνταν ευρέως ως το ιερό δισκοπότηρο της ολοκληρωμένης φωτονικής», είπε ο Kippenberg. “Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι αυτό όχι μόνο είναι δυνατό, αλλά μπορεί να επιτευχθεί με μια εκπληκτικά κομψή αρχιτεκτονική που αγνοήθηκε από την κοινότητα των ολοκληρωμένων φωτονικών.”
Παρέχει ένα παραμελημένο σχέδιο λέιζερ
Για να επιτύχουν το κατόρθωμα, οι ερευνητές υιοθέτησαν μια αρχιτεκτονική λέιζερ γνωστή ως ταλαντωτή Mamishev, ένα σχέδιο που έχει λάβει σχετικά λίγη προσοχή στην ολοκληρωμένη φωτονική.
Το σύστημα τοποθετεί έναν μη γραμμικό κυματοδηγό ανάμεσα σε δύο οπτικά φίλτρα, καθένα από τα οποία μεταδίδει ένα διαφορετικό μέρος του φάσματος φωτός. Καθώς ένας έντονος παλμός λέιζερ ταξιδεύει μέσω του κυματοδηγού, επεκτείνεται σε ένα ευρύ φάσμα χρωμάτων. Μέρος αυτού του διευρυμένου παλμού μπορεί στη συνέχεια να περάσει και από τα δύο φίλτρα και να συνεχίσει να κυκλοφορεί μέσα στην κοιλότητα του λέιζερ.
Το αδύναμο φως συμπεριφέρεται διαφορετικά. Επειδή δεν διαστέλλεται αρκετά, μπλοκάρεται από το φίλτρο και αφαιρείται από τον κύκλο.
“Αυτός ο σχεδιασμός είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρον επειδή δεν απαιτεί υλικό που είναι δύσκολο να κατασκευαστεί σε αυτό το τσιπ νιτριδίου του πυριτίου με πρόσμειξη ερβίου”, εξηγεί ο Zhiru Qi, συν-επικεφαλής συγγραφέας της εργασίας.
Σύμφωνα με τον Qiu, ο σχεδιασμός προσφέρει ένα άλλο μεγάλο πλεονέκτημα. Τα φωτονικά τσιπ περιορίζουν το φως σε εξαιρετικά μικρούς κυματοδηγούς, αναγκάζοντας το φως να αλληλεπιδρά έντονα με τον εαυτό του. Σε πολλές αρχιτεκτονικές λέιζερ, αυτά τα μη γραμμικά φαινόμενα μπορούν να αποσταθεροποιήσουν τους παλμούς λέιζερ. Οι ταλαντωτές Mamishev, ωστόσο, είναι πολύ λιγότερο ευαίσθητοι σε αυτά τα προβλήματα, καθιστώντας τους ιδιαίτερα κατάλληλους για ενσωματωμένες φωτονικές συσκευές.
Μικρή συσκευή, μεγάλες δυνατότητες
Η κοιλότητα του λέιζερ έχει μήκος 42 cm, ωστόσο μπορεί να διπλωθεί σε ένα τσιπ που καταλαμβάνει περίπου την περιοχή ενός κεφαλιού σπίρτου. Αυτό το καθιστά δραματικά μικρότερο από τα συμβατικά υπεργρήγορα λέιζερ που βασίζονται σε ίνες.
Επειδή τα φωτονικά τσιπ μπορούν να κατασκευαστούν σε κλίμακα γκοφρέτας χρησιμοποιώντας μεθόδους παρόμοιες με αυτές που χρησιμοποιούνται για τσιπ υπολογιστών, περισσότερες από 1.000 κοιλότητες λέιζερ μπορούν να παραχθούν ταυτόχρονα. Αυτή η μονάδα παραγωγής θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά το κόστος των υπερταχέων λέιζερ, ενώ θα διευρύνει τη διαθεσιμότητά τους για εφαρμογές ανίχνευσης, φασματοσκοπίας και μετρήσεων ακριβείας.
«Με μέγιστη ισχύ σε επίπεδο κιλοβάτ, το τσιπ μπορεί να οδηγήσει απαιτητικές εφαρμογές που βασίζονται εδώ και πολύ καιρό σε μεγάλα, ακριβά εργαστηριακά λέιζερ», είπε ο Qi.
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η τεχνολογία θα μπορούσε τελικά να οδηγήσει σε φορητές και οικονομικές συσκευές για την ανίχνευση περιβαλλοντικών ρύπων, την ανίχνευση κρυφών ελαττωμάτων στα υλικά και τη λήψη ιατρικών διαγνώσεων. Θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει να ανοίξει ο δρόμος για συμπαγή οπτικά ατομικά ρολόγια που θα μπορούσαν να παίξουν σημαντικό ρόλο στα μελλοντικά συστήματα επικοινωνίας και πλοήγησης.
Στην εργασία συμμετείχαν ερευνητές από το EPFL Institute of Electrical and Microengineering και το Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).
