Використання лазерів у повсякденному житті стало відносно поширеним, і вони також можуть бути важливим інструментом для спостереження, аналізу та кількісного визначення речей у природі, які невидимі неозброєним оком – завдань, які, на жаль, у минулому були обмежені необхідність використання великих, дорогих інструментів.
Команда вчених із Міського університету Нью-Йорка та команда Каліфорнійського технологічного інституту експериментально продемонструвала новий спосіб виготовлення високопродуктивних надшвидких лазерів на нанофотонних чіпах — вони продемонстрували перші в світі лазери з електричним накачуванням із синхронізованим режимом і високою потужністю. пікова імпульсна потужність, інтегрована на тонкоплівкових фоточіпах з ніобату літію. Дослідження нещодавно було опубліковано як обкладинка в журналі Science.
Дослідження базується на мініатюрному лазері з синхронізованим режимом, який випромінює унікальний лазер, який випромінює серію ультракоротких когерентних світлових імпульсів з фемтосекундними інтервалами, сказав керівник групи Qiushi Guo.
Надшвидкісні лазери з синхронізованим режимом відіграють центральну роль у розкритті таємниць найшвидших природних масштабів часу, які включають вивчення утворення та розриву молекулярних зв’язків у хімічних реакціях і дослідження динаміки поширення світла в турбулентному середовищі.
Саме розробка лазерів із синхронізованим режимом, завдяки швидкій піковій інтенсивності імпульсу та широкому спектральному охопленню, також сприяла розвитку різноманітних фотонних технологій, зокрема оптичних атомних годинників, біозображення та обчислення даних на основі світла. в комп'ютерах.
На жаль, навіть сучасні лазери з блокуванням режимів все ще є дорогими та енергоємними, що призвело до того, що їх використання здебільшого обмежено лабораторними середовищами.
Мета вищезгаданої команди: зробити революцію в галузі надшвидкої фотоніки шляхом перетворення великих лабораторних систем на системи розміром з мікросхему, які можна масово виробляти та розгортати в польових умовах. Вони лише хочуть зробити речі меншими, але вони також хочуть переконатися, що ці надшвидкісні лазери розміром із мікросхему забезпечують задовільну продуктивність. Наприклад, їм потрібна достатня пікова інтенсивність імпульсу, бажано понад 1 Вт, щоб побудувати значущі системи масштабування мікросхем.
Однак реалізація та інтеграція ефективних лазерів із синхронізованим режимом на чіпі є складним завданням. У цьому дослідженні використовується тонкоплівковий ніобат літію (TFLN), інноваційна матеріальна платформа. Використовуючи цей матеріал, можна точно контролювати та ефективно формувати лазерні імпульси шляхом додавання зовнішнього радіочастотного електричного сигналу.
У своїх експериментах команда Гуо вміло поєднала високі характеристики лазерного підсилення напівпровідників III-V з високоефективною здатністю формування імпульсу нанофотонних хвилеводів TFLN, зрештою продемонструвавши лазер із вихідною піковою потужністю до 0,5 Вт .
На додаток до компактних розмірів лазер із блокуванням режимів, який вони продемонстрували, має кілька захоплюючих нових функцій, які можуть мати великі перспективи для майбутніх застосувань.
Наприклад, точно налаштувавши струм накачування лазера, Гуо реалізував можливість точного налаштування частоти повторення вихідних імпульсів у широкому діапазоні 200 МГц. Використовуючи надійну реконфігурацію демонстраційного лазера, команда сподівається створити гребінчасті джерела зі стабілізованою частотою в масштабі чіпа, які є критично важливими для додатків точного зондування.
Хоча реалізація масштабованих, інтегрованих, надшвидких фотонних систем для портативних і кишенькових пристроїв створює додаткові виклики для команди Куо, поточна демонстрація знаменує важливу віху в подоланні основних перешкод.
Це досягнення прокладає шлях до використання мобільних телефонів для діагностики очних захворювань або аналізу кишкової палички та небезпечних вірусів у продуктах харчування та навколишньому середовищі. Це також може допомогти створити атомний годинник майбутнього в масштабі чіпа, що дозволить здійснювати навігацію, коли GPS пошкоджений або недоступний.
Завдяки останній демонстрації вчені подолали серйозну перешкоду. Тим не менш, вчені з нетерпінням чекають подолання додаткових перешкод розробки масштабованих, інтегрованих, надшвидких фотонних систем, які можна використовувати на портативних і портативних пристроях.
