Использование лазеров в повседневной жизни стало относительно распространенным, и они также могут быть важным инструментом для наблюдения, анализа и количественной оценки явлений в природе, невидимых невооруженным глазом - задач, которые, к сожалению, в прошлом были ограничены необходимость использования больших и дорогих инструментов.
Группа учёных из Городского университета Нью-Йорка и команда Калифорнийского технологического института экспериментально продемонстрировали новый способ изготовления высокопроизводительных сверхбыстрых лазеров на нанофотонных чипах — они продемонстрировали первые в мире лазеры с синхронизацией мод с электрической накачкой и высокой производительностью. пиковая импульсная мощность, интегрированная в тонкопленочные фоточипы из ниобата лития. Исследование недавно было опубликовано на обложке журнала Science.
Исследование основано на миниатюрном лазере с синхронизацией мод, который излучает уникальный лазер, излучающий серию ультракоротких когерентных световых импульсов с фемтосекундными интервалами, сказал руководитель группы Цюши Го.
Сверхбыстрые лазеры с синхронизацией мод играют центральную роль в разгадке тайн самых быстрых в природе временных масштабов, включая изучение образования и разрыва молекулярных связей в химических реакциях и изучение динамики распространения света в турбулентных средах.
Именно разработка лазеров с синхронизацией мод из-за их быстрых пиковых интенсивностей импульсов и широкого спектрального покрытия также способствовала развитию различных фотонных технологий, включая оптические атомные часы, биоизображение и вычисление данных на основе света. в компьютерах.
К сожалению, даже современные лазеры с синхронизацией мод по-прежнему дороги и энергоемки, что привело к тому, что их использование в основном ограничивается лабораторными условиями.
Цель вышеупомянутой команды: совершить революцию в области сверхбыстрой фотоники путем преобразования больших лабораторных систем в системы размером с чип, которые можно будет производить массово и развертывать в полевых условиях. Они хотят только уменьшить размеры объектов, но они также хотят убедиться, что эти сверхбыстрые лазеры размером с чип обеспечивают удовлетворительную производительность. Например, им нужна достаточная пиковая интенсивность импульса, предпочтительно более 1 Вт, для создания значимых систем масштаба чипа.
Однако реализация и интеграция эффективных лазеров с синхронизацией мод на кристалле является сложной задачей. В этом исследовании используется тонкопленочный ниобат лития (TFLN), инновационный материал. Используя этот материал, можно точно контролировать и эффективно формировать лазерные импульсы путем добавления внешнего радиочастотного электрического сигнала.
В своих экспериментах команда Го умело объединила высокие характеристики лазерного усиления полупроводников III-V с высокоэффективной способностью формирования импульсов нанофотонных волноводов TFLN, в конечном итоге продемонстрировав лазер с пиковой выходной мощностью до 0,5 Вт. .
В дополнение к своим компактным размерам, продемонстрированный ими лазер с синхронизацией мод имеет несколько интересных новых функций, которые могут иметь большие перспективы для будущих приложений.
Например, точно настроив ток накачки лазера, Го реализовал возможность точной настройки частоты повторения выходных импульсов в широком диапазоне 200 МГц. Используя надежную возможность реконфигурации демонстрационного лазера, команда надеется создать масштабные гребенчатые источники со стабилизацией частоты, необходимые для приложений точного зондирования.
Хотя реализация масштабируемых, интегрированных, сверхбыстрых фотонных систем для портативных и карманных устройств представляет дополнительные проблемы для команды Куо, нынешняя демонстрация знаменует собой важную веху в преодолении серьезных препятствий.
Это достижение открывает путь к использованию мобильных телефонов для диагностики заболеваний глаз или анализа кишечной палочки и опасных вирусов в продуктах питания и окружающей среде. Это также может помочь в создании атомных часов будущего, позволяющих осуществлять навигацию, когда GPS поврежден или недоступен.
Благодаря этой последней демонстрации ученые преодолели серьезное препятствие. Тем не менее, ученые с нетерпением ждут решения дополнительных препятствий на пути разработки масштабируемых, интегрированных, сверхбыстрых фотонных систем, которые можно будет использовать на портативных и карманных устройствах.
