מדענים משלבים לווקר מצבי לייזר בעל ביצועים גבוהים בשבב ננופוטוני בפעם הראשונה

השימוש בלייזרים בחיי היומיום הפך נפוץ יחסית, והוא יכול להיות גם כלי חשוב להתבוננות, ניתוח וכימות של דברים בטבע שאינם נראים לעין בלתי מזוינת – משימות שלצערי הוגבלו בעבר על ידי הצורך להשתמש במכשירים גדולים ויקרים.
צוות מדענים מאוניברסיטת סיטי של ניו יורק וצוות המכון הטכנולוגי של קליפורניה הדגימו בניסוי דרך חדשה לייצר לייזרים בעלי ביצועים גבוהים ומהירים במיוחד על שבבים ננו-פוטוניים - הם הדגימו את הלייזרים הראשונים בעולם הנשאבים חשמלית עם נעילה גבוהה כוח דופק שיא המשולב על שבבי צילום ליתיום ניובאט סרט דק. המחקר פורסם לאחרונה ככתבת שער בכתב העת Science.
המחקר מתבסס על לייזרים נעולים במצב ממוזער - אשר פולטים לייזר ייחודי הפולט סדרת פולסים אולטרה קצרים של אור קוהרנטי במרווחים של פמטו-שניות, לדברי ראש הצוות Qiusi Guo.
לייזרים נעולים במצב מהיר במיוחד ממלאים תפקיד מרכזי בפענוח המסתורין של טווחי הזמן המהירים ביותר של הטבע, הכוללים לימוד היווצרות ושבירה של קשרים מולקולריים בתגובות כימיות וחקירת הדינמיקה של התפשטות האור במדיה סוערת.
הפיתוח של לייזרים נעולים במצב, בשל עוצמות שיא הדופק המהירה והכיסוי הספקטרלי הרחב שלהם, הוא שהניע גם את הפיתוח של מגוון טכנולוגיות פוטוניקה, לרבות שעונים אטומיים אופטיים, ביו-הדמיה וחישובי נתונים מבוססי אור. במחשבים.
למרבה הצער, אפילו הלייזרים החדישים ביותר העכשוויים במצב נעול הם עדיין גם יקרים וגם זוללי חשמל, מה שהוביל לכך שהשימוש בהם מוגבל במידה רבה לסביבות מעבדה.
המטרה של הצוות הנ"ל: לחולל מהפכה בתחום הפוטוניקה האולטרה-מהירה על ידי הפיכת מערכות מעבדה גדולות למערכות בגודל שבב הניתנות לייצור המוני ולפרוס בשטח. הם רק רוצים לעשות דברים קטנים יותר, אבל הם גם רוצים לוודא שהלייזרים האלה בגודל שבב מהירים במיוחד מספקים ביצועים משביעי רצון. לדוגמה, הם צריכים מספיק עוצמת דופק שיא, רצוי יותר מ-1 וואט, כדי לבנות מערכות משמעותיות בקנה מידה שבבים.
עם זאת, מימוש ושילוב לייזרים יעילים נעולים במצב על שבב הוא משימה מאתגרת. מחקר זה משתמש בליתיום ניובאט סרט דק (TFLN), פלטפורמת חומר חדשנית. באמצעות חומר זה, ניתן לשלוט במדויק וליצור ביעילות פולסי לייזר על ידי הוספת אות חשמלי RF חיצוני.
בניסויים שלהם, הצוות של Guo שילב במיומנות את תכונות ההגברה הגבוהה של הלייזר של מוליכים למחצה III-V עם יכולות עיצוב הפולסים היעילות ביותר של מוליכי גל ננופוטוניים TFLN, ובסופו של דבר הדגים לייזר עם הספק שיא פלט של עד 0.5 וואט .
בנוסף לגודלו הקומפקטי, ללייזר הננעל במצב שהם הדגימו יש מספר תכונות חדשות ומלהיבות שיכולות להיות הבטחה גדולה ליישומים עתידיים.
לדוגמה, על ידי כוונון מדויק של זרם המשאבה של הלייזר, Guo הבין את היכולת לכוונן עדין את תדירות החזרה של דופק הפלט על פני טווח רחב של 200 מגה-הרץ. באמצעות יכולת ההגדרה מחדש החזקה של לייזר ההדגמה, הצוות מקווה להקל על מקורות מסרק בקנה מידה של שבבים ומיוצבים בתדר, שהם קריטיים ליישומי חישה מדויקת.
בעוד שהמימוש של מערכות פוטוניות ניתנות להרחבה, משולבות ומהירות במיוחד עבור מכשירים ניידים ומכשירי כף יד מהווה אתגרים נוספים עבור הצוות של Kuo, ההדגמה הנוכחית מסמנת אבן דרך חשובה בהתגברות על מכשולים גדולים.
הישג זה סולל את הדרך לשימוש בטלפונים סלולריים לאבחון מחלות עיניים או ניתוח E. coli ווירוסים מסוכנים במזון ובסביבה. זה יכול גם לעזור ליצור את השעונים האטומיים של העתיד בקנה מידה שבב, לאפשר ניווט כאשר GPS פגום או לא זמין.
מדענים התגברו על מכשול גדול עם ההדגמה האחרונה הזו. אף על פי כן, מדענים מצפים כעת להתמודד עם המכשולים הנוספים של פיתוח מערכות פוטוניות ניתנות להרחבה, משולבות ומהירות במיוחד, העשויות לשמש במכשירים ניידים ומכשירי כף יד.