Ученые разработали мощные лазеры, которые помещаются на кончике пальца

Сверхбыстрые лазеры с синхронизацией мод — это тип лазерной системы, которая генерирует чрезвычайно короткие импульсы света порядка фемтосекунд или пикосекунд. Их универсальность делает их ценным инструментом в широком спектре научных, промышленных и медицинских приложений, таких как оптические атомные часы, биологические изображения и компьютеры, которые используют свет для расчета и обработки данных. 

Однако эти лазеры, как известно, большие и дорогие, что делает их непрактичным для постоянного использования. Теперь исследователи создали версию этих устройств, которая может поместиться на кончике пальца или, что более удобно, на небольшом чипе, точнее, нанофотоническом чипе. Исследование опубликовано в журнале Science.

«Наша цель — произвести революцию в области сверхбыстрой фотоники, превратив большие лабораторные системы в системы размером с чип, которые можно будет массово производить и развертывать на местах», — сказал ведущий исследователь Цюши Го из Центра передовых научных исследований CUNY.

Го пояснил, что основная цель его команды заключалась в том, чтобы гарантировать, что эти невероятно быстрые лазеры размером с чип будут работать удовлетворительно, а также будут меньше по размеру. Чтобы достичь этого, им необходимо будет создать устройства, которые смогут производить достаточную пиковую интенсивность импульса, желательно более 1 Вт.

Однако создание эффективных лазеров с синхронизацией мод, достаточно маленьких, чтобы поместиться на кристалле, оказалось сложной задачей. Чтобы преодолеть некоторые проблемы, присущие разработке крошечных лазеров, команда Го использовала тонкопленочный ниобат лития, известный кристаллический материал с уникальными оптическими, электрооптическими и пьезоэлектрическими свойствами, для создания крошечного лазера с высокой выходной мощностью (пиковая мощность 0,5 Вт).

Помимо небольшого размера, новые уменьшенные лазеры с синхронизацией мод обладали множеством интересных качеств, которых нет в обычных моделях. Например, Го смог точно настроить частоту повторения импульсов лазеров в очень широком диапазоне 200 МГц, варьируя токи накачки лазеров.

Эти качества будут иметь важное значение для лазерных приложений в будущем. С помощью этой последней демонстрации группа Го преодолела существенный барьер на пути создания масштабируемых, интегрированных, сверхбыстрых фотонных систем, которые могут быть реализованы в портативных и карманных устройствах. Однако необходимо устранить дальнейшие препятствия, и команда заявила, что это только начало их работы.

Поставив перед собой цель достичь импульсов длительностью 50 фемтосекунд, исследователи намерены продолжать развивать эту технологию, чтобы она могла работать в еще более коротких временных интервалах и с более высокими пиковыми мощностями. Это будет в 100 раз лучше, чем нынешние устройства, которые генерируют импульсы длиной 4,8 пикосекунды.

«Это достижение открывает путь к использованию мобильных телефонов для диагностики глазных заболеваний или анализа продуктов питания и окружающей среды на наличие таких веществ, как кишечная палочка и опасные вирусы», — сказал Го. «Это также может позволить использовать футуристические атомные часы в масштабе чипа, которые позволят осуществлять навигацию, когда GPS скомпрометирован или недоступен».