Brugen af lasere i hverdagen er blevet relativt almindelig, og de kan også være et vigtigt redskab til at observere, analysere og kvantificere ting i naturen, som er usynlige for det blotte øje - opgaver, der desværre tidligere har været begrænset af bl.a. behovet for at bruge store, dyre instrumenter.
Et team af forskere fra City University of New York og California Institute of Technology-teamet har eksperimentelt demonstreret en ny måde at fremstille højtydende, ultrahurtige lasere på nanofotoniske chips - de har demonstreret verdens første elektrisk pumpede tilstandslåste lasere med højtydende peak puls power integreret på tyndfilm lithium niobate fotochips. Forskningen er for nylig blevet publiceret som en forsidehistorie i tidsskriftet Science.
Forskningen er baseret på en miniaturiseret mode-låst laser - som udsender en unik laser, der udsender et tog af ultrakorte sammenhængende lysimpulser med femtosekunders intervaller, sagde teamleder Qiushi Guo.
Ultrahurtige tilstandslåste lasere spiller en central rolle i at opklare mysterierne i naturens hurtigste tidsskalaer, som omfatter undersøgelse af dannelsen og brydningen af molekylære bindinger i kemiske reaktioner og udforskning af dynamikken i lysudbredelse i turbulente medier.
Det er udviklingen af mode-låste lasere på grund af deres hurtige pulsspidsintensiteter og brede spektrale dækning, der også har ført til udviklingen af en række fotonikteknologier, herunder optiske atomure, bio-billeddannelse og lysbaseret databeregning i computere.
Desværre er selv nutidens state-of-the-art mode-låste lasere stadig både dyre og strømkrævende, hvilket har ført til, at deres brug stort set er begrænset til laboratoriemiljøer.
Målet for det førnævnte team: er at revolutionere området for ultrahurtig fotonik ved at transformere store laboratoriesystemer til chip-størrelse systemer, der kan masseproduceres og implementeres i felten. De vil kun gøre tingene mindre, men de vil også sikre sig, at disse ultrahurtige lasere i chipstørrelse giver en tilfredsstillende ydeevne. For eksempel har de brug for tilstrækkelig spidspulsintensitet, helst mere end 1 watt, til at bygge meningsfulde chip-skalasystemer.
Det er imidlertid en udfordrende opgave at realisere og integrere effektive mode-låste lasere på en chip. Denne forskning bruger tyndfilm lithiumniobat (TFLN), en innovativ materialeplatform. Ved at bruge dette materiale er det muligt præcist at styre og effektivt danne laserimpulser ved at tilføje et eksternt RF elektrisk signal.
I deres eksperimenter kombinerede Guos team dygtigt de høje laserforstærkningsegenskaber for III-V-halvledere med den højeffektive pulsformningsevne fra TFLN nanofotoniske bølgeledere, hvilket i sidste ende demonstrerede en laser med en udgangsspidseffekt på op til 0,5 watt .
Ud over dens kompakte størrelse har den tilstandslåste laser, som de demonstrerede, flere spændende nye funktioner, der kunne holde meget lovende for fremtidige applikationer.
For eksempel, ved præcist at indstille laserens pumpestrøm, indså Guo evnen til at finjustere udgangspulsens gentagelsesfrekvens over et bredt område på 200 MHz. Ved at bruge demonstrationslaserens robuste rekonfigurerbarhed håber teamet at lette chip-skala, frekvensstabiliserede kamkilder, der er kritiske til præcisionsfølende applikationer.
Mens realiseringen af skalerbare, integrerede, ultrahurtige fotoniske systemer til bærbare og håndholdte enheder udgør yderligere udfordringer for Kuos team, markerer den nuværende demonstration en vigtig milepæl i at overvinde store forhindringer.
Denne præstation baner vejen for at bruge mobiltelefoner til at diagnosticere øjensygdomme eller analysere E. coli og farlige vira i fødevarer og miljøet. Det kunne også hjælpe med at skabe fremtidens atomure i chip-skala, hvilket muliggør navigation, når GPS er beskadiget eller utilgængelig.
Forskere har overvundet en stor forhindring med denne seneste demonstration. Ikke desto mindre ser forskerne frem til at tackle de yderligere forhindringer ved at udvikle skalerbare, integrerede, ultrahurtige fotoniske systemer, der kan bruges på bærbare og håndholdte enheder.
