Ученые придумали, как уменьшить огромные сверхбыстрые лазеры

Ученым удалось заставить сверхбыстрые лазеры работать на крошечных чипах, что открывает путь к созданию миниатюрных, но мощных диагностических устройств.

Благодаря новому прорыву сверхбыстрые лазеры можно будет размещать на крошечных чипах.(Изображение предоставлено: Жеру Цю/Федеральная политехническая школа Лозанны)

По словам исследователей, прорыв в области фотонных чипов может значительно уменьшить размеры больших и дорогостоящих сверхбыстрых лазеров, что позволит создать портативные и доступные устройства для визуализации, диагностики и обработки информации.

Используя лазерную архитектуру, о которой не вспоминали десятилетиями, ученые смогли разместить сверхбыстрый лазер на крошечном фотонном чипе — чипе, который использует свет, а не электричество, для выполнения вычислительных операций.

В новом исследовании, опубликованном 3 июня в журнале Nature, команда продемонстрировала, что крошечный лазер на фотонном чипе может выдавать 1,05 наноджоуля энергии в импульсах длительностью 147 фемтосекунд (147 квадриллионных долей секунды), тем самым конкурируя с лабораторными сверхбыстрыми лазерами.

Сверхбыстрые лазеры используются в самых разных областях — от точного производства и офтальмологии до биологической визуализации и атомных часов, но системы, необходимые для их питания, как правило, занимают целые столы в лабораториях и на производствах. Однако из-за высокой мощности этих лазерных импульсов их было сложно миниатюризировать и разместить на фотонных чипах.

«Более двадцати лет фемтосекундный лазер на чипе с высокой энергией импульса считался Святым Граалем интегральной фотоники», — Тобиас Киппенберг, профессор фотоники в Швейцарской высшей технической школе Цюриха (EPFL), сказал в заявлении.

«Наш результат показывает, что это не только возможно, но и достижимо с помощью удивительно элегантной архитектуры, которую сообщество специалистов по интегрированной фотонике упустило из виду»."

Прорыв в будущее — это взгляд в прошлое

Фотонные чипы управляют светом с помощью микроскопических структур, называемых волноводами, — обычно в виде оптических волокон или вытравленных резонаторов, — для передачи информации. Они не являются чем-то принципиально новым и используются в волоконно-оптических системах связи, медицинских датчиках и лидарных системах.

Однако фотонные чипы ранее испытывали трудности при работе с мощными сверхбыстрыми лазерами. Это связано с тем, что им приходится помещать свет в очень маленькие волноводы, из-за чего свет сильно взаимодействует сам с собой и лазерные импульсы становятся нестабильными.

Чтобы решить эту проблему, исследователи обратились к лазерной архитектуре под названием генератор Мамишева, созданной в 1998 году Павлом В. Мамишевым, физиком и инженером из Bell Labs.

Сверхбыстрый лазер на основе чипа EPFL работает в тестовом режиме.(Фото: Жеру Цю/EPFL)

Этот генератор, которому уделялось мало внимания в мире фотонных чипов, работает за счет размещения нелинейного волновода между двумя оптическими фильтрами. Это приводит к тому, что лазерный импульс высокой интенсивности расширяется до более широкого диапазона цветов, которые затем могут пройти через оба фильтра, в то время как более слабый свет, который может привести к дестабилизации лазера, блокируется. По сути, этот метод позволяет поддерживать лазерный импульс высокой интенсивности.

Поскольку для создания генератора Мамишева не требуются дополнительные компоненты, он представляет собой привлекательную конструкцию для использования в фотонных чипах. И хотя длина лазерного резонатора, необходимого для генерации сверхбыстрого лазера, составляет 16,5 дюймов (42 сантиметра), его можно сложить так, чтобы он занимал примерно ту же площадь, что и спичечная головка. Этого нельзя сделать с обычными волоконно-оптическими лазерами, которые часто используются в фотонных чипах.

Это решает проблему размера, но стоимость сверхбыстрых лазерных систем — другая сложность. Однако, по словам исследователей, поскольку фотонные чипы можно изготавливать из кремниевых пластин так же, как компьютерные чипы, потенциально можно производить более 1000 лазерных резонаторов в одной партии. Таким образом, фотонные чипы со сверхбыстрыми лазерными возможностями можно будет производить в больших количествах, что, в свою очередь, снизит производственные затраты и даже расширит возможности их применения.

Фотонные чипы, способные работать со сверхбыстрыми лазерами, в будущем могут стать основой для портативных устройств для решения таких задач, как обнаружение загрязняющих веществ или проведение расширенной медицинской диагностики в полевых условиях, отмечают исследователи. Эта технология также открывает возможности для создания более компактных атомных часов, которые могут быть полезны для навигации и будущих систем связи. Пишет livescience