Учените интегрират високоефективно лазерно шкафче за режим на нанофотонен чип за първи път

Използването на лазери в ежедневието е станало относително често срещано и може да бъде важен инструмент за наблюдение, анализ и количествено определяне на неща в природата, които са невидими с невъоръжено око - задачи, които, за съжаление, са били ограничени в миналото от необходимостта от използване на големи, скъпи инструменти.
Екип от учени от Градския университет на Ню Йорк и екипът на Калифорнийския технологичен институт експериментално демонстрира нов начин за производство на високопроизводителни, ултрабързи лазери върху нанофотонни чипове - те демонстрираха първите в света лазери с електрическо изпомпване и заключен режим с висока пикова импулсна мощност, интегрирана върху тънкослойни фоточипове от литиев ниобат. Изследването наскоро беше публикувано като корица в списание Science.
Изследването се основава на миниатюризирани лазери със заключен режим - които излъчват уникален лазер, който излъчва поредица от ултракъси импулси на кохерентна светлина на интервали от фемтосекунди, според ръководителя на екипа Qiushi Guo.
Свръхбързите лазери със заключен режим играят централна роля в разгадаването на мистериите на най-бързите времеви мащаби в природата, които включват изучаване на образуването и разкъсването на молекулярни връзки при химически реакции и изследване на динамиката на разпространение на светлината в турбулентна среда.
Развитието на лазери със заключен режим, поради техните бързи пикови интензитети на импулсите и широко спектрално покритие, също подхранва развитието на различни фотонни технологии, включително оптични атомни часовници, биоизображения и изчисления на данни, базирани на светлина в компютри.
За съжаление, дори днешните най-съвременни лазери със заключен режим все още са както скъпи, така и енергоемки, което доведе до ограничаването им до голяма степен в лабораторни среди.
Целта на гореспоменатия екип: да направи революция в областта на ултрабързата фотоника чрез трансформиране на големи лабораторни системи в системи с размер на чип, които могат да се произвеждат масово и да се използват на място. Те само искат да направят нещата по-малки, но също така искат да се уверят, че тези свръхбързи лазери с размер на чип осигуряват задоволителна производителност. Например, те се нуждаят от достатъчен пиков интензитет на импулса, за предпочитане повече от 1 ват, за да изградят смислени системи с размер на чип.
Въпреки това реализирането и интегрирането на ефективни лазери със заключен режим върху чип е предизвикателна задача. Това изследване използва тънкослоен литиев ниобат (TFLN), иновативна материална платформа. С помощта на този материал е възможно прецизно управление и ефективно формиране на лазерни импулси чрез добавяне на външен RF електрически сигнал.
В своите експерименти екипът на Гуо умело комбинира свойствата на високо лазерно усилване на III-V полупроводници с високоефективните възможности за оформяне на импулси на нанофотонните вълноводи TFLN, като в крайна сметка демонстрира лазер с изходна пикова мощност до 0.5 вата .
В допълнение към компактния си размер лазерът със заключен режим, който те демонстрираха, има редица вълнуващи нови функции, които могат да имат голямо обещание за бъдещи приложения.
Например, чрез прецизно настройване на тока на помпата на лазера, Гуо реализира способността за фина настройка на честотата на повторение на изходния импулс в широк диапазон от 200 MHz. Използвайки стабилната възможност за преконфигуриране на демонстрационния лазер, екипът се надява да улесни източниците на гребен с размер на чип, стабилизирани по честота, които са критични за приложенията за прецизно наблюдение.
Докато реализирането на мащабируеми, интегрирани, ултрабързи фотонни системи за преносими и ръчни устройства представлява допълнителни предизвикателства за екипа на Kuo, настоящата демонстрация бележи важен крайъгълен камък в преодоляването на големи препятствия.
Това постижение проправя пътя за използване на мобилни телефони за диагностициране на очни заболявания или за анализ на E. coli и опасни вируси в храната и околната среда. Може също така да помогне за създаването на атомни часовници на бъдещето с мащаб на чип, позволяващи навигация, когато GPS е повреден или недостъпен.
Учените са преодолели голямо препятствие с тази последна демонстрация. Въпреки това учените сега очакват с нетърпение да се справят с допълнителните препятствия при разработването на мащабируеми, интегрирани, ултрабързи фотонни системи, които могат да се използват на преносими и ръчни устройства.