Bruk av laser i hverdagen har blitt relativt vanlig, og de kan også være et viktig verktøy for å observere, analysere og kvantifisere ting i naturen som er usynlige for det blotte øye – oppgaver som dessverre har vært begrenset tidligere av behovet for å bruke store, dyre instrumenter.
Et team av forskere fra City University of New York og California Institute of Technology-teamet har eksperimentelt demonstrert en ny måte å fremstille høyytelses, ultraraske lasere på nanofotoniske brikker - de har demonstrert verdens første elektrisk pumpede moduslåste lasere med høy peak puls power integrert på tynnfilm litium niobate fotobrikker. Forskningen er nylig publisert som en forsidehistorie i tidsskriftet Science.
Forskningen er basert på en miniatyrisert moduslåst laser – som sender ut en unik laser som sender ut et tog av ultrakorte koherente lyspulser med femtosekunders intervaller, sa teamleder Qiushi Guo.
Ultraraske moduslåste lasere spiller en sentral rolle i å avdekke mysteriene i naturens raskeste tidsskalaer, som inkluderer å studere dannelsen og bruddet av molekylære bindinger i kjemiske reaksjoner og utforske dynamikken til lysutbredelse i turbulente medier.
Det er utviklingen av moduslåste lasere, på grunn av deres raske pulstoppintensiteter og brede spektraldekning, som også har drevet utviklingen av en rekke fotonikkteknologier, inkludert optiske atomklokker, bio-avbildning og lysbasert databeregning. i datamaskiner.
Dessverre er selv dagens toppmoderne moduslåste lasere fortsatt både dyre og strømkrevende, noe som har ført til at bruken i stor grad er begrenset til laboratoriemiljøer.
Målet til det nevnte teamet: er å revolusjonere feltet for ultrarask fotonikk ved å transformere store laboratoriesystemer til systemer på størrelse med brikke som kan masseproduseres og distribueres i feltet. De ønsker bare å gjøre ting mindre, men de vil også sørge for at disse ultraraske laserne i brikkestørrelse gir tilfredsstillende ytelse. For eksempel trenger de tilstrekkelig topppulsintensitet, fortrinnsvis mer enn 1 watt, for å bygge meningsfulle chip-skala systemer.
Imidlertid er det en utfordrende oppgave å realisere og integrere effektive moduslåste lasere på en brikke. Denne forskningen bruker tynnfilm litiumniobat (TFLN), en innovativ materialplattform. Ved å bruke dette materialet er det mulig å nøyaktig kontrollere og effektivt danne laserpulser ved å legge til et eksternt RF-elektrisk signal.
I sine eksperimenter kombinerte Guos team på en dyktig måte de høye laserforsterkningsegenskapene til III-V-halvledere med den svært effektive pulsformingsevnen til TFLN nanofotoniske bølgeledere, og demonstrerte til slutt en laser med en toppeffekt på opptil 0,5 watt .
I tillegg til den kompakte størrelsen, har den moduslåste laseren de demonstrerte flere spennende nye funksjoner som kan være lovende for fremtidige applikasjoner.
For eksempel, ved å justere laserens pumpestrøm nøyaktig, innså Guo muligheten til å finjustere utgangspulsrepetisjonsfrekvensen over et bredt område på 200 MHz. Ved å bruke demonstrasjonslaserens robuste rekonfigurerbarhet, håper teamet å legge til rette for chip-skala, frekvensstabiliserte kamkilder som er kritiske for presisjonssensorapplikasjoner.
Mens realiseringen av skalerbare, integrerte, ultraraske fotoniske systemer for bærbare og håndholdte enheter gir ytterligere utfordringer for Kuos team, markerer den nåværende demonstrasjonen en viktig milepæl i å overvinne store hindringer.
Denne prestasjonen baner vei for bruk av mobiltelefoner til å diagnostisere øyesykdommer eller analysere E. coli og farlige virus i mat og miljø. Det kan også bidra til å skape fremtidens atomklokker i brikkeskala, og muliggjøre navigering når GPS er skadet eller utilgjengelig.
Forskere har overvunnet et stort hinder med denne siste demonstrasjonen. Ikke desto mindre ser forskerne frem til å takle de ekstra hindringene med å utvikle skalerbare, integrerte, ultraraske fotoniske systemer som kan brukes på bærbare og håndholdte enheter.
