Foto: Zheru Qiu/EPFL

Po 20 letech vědci konečně zmenšili výkonný laser na čip

Autor původního článku: redakce

Vědci z Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) vyvinuli ultrarychlý laser v měřítku čipu, který se výkonem vyrovná tradičním stolním femtosekundovým laserům. Tato inovace by mohla výrazně zmenšit, zlevnit a zpřístupnit pokročilé laserové technologie pro aplikace od lékařské diagnostiky po atomové hodiny.

Širší souvislosti

Ultrarychlé lasery jsou klíčovými nástroji v moderní optice, jejichž pulzy trvají jen několik stovek femtosekund, což umožňuje technologie jako přesnou výrobu a oční chirurgii. Přestože jsou tyto lasery důležité, zůstávají většinou velkými a nákladnými systémy. Nový integrovaný ultrarychlý laser by mohl změnit způsob, jakým se tyto technologie používají, a to nejen ve vědeckých laboratořích, ale i v průmyslových aplikacích. V Evropě a České republice by tento pokrok mohl podpořit rozvoj nových technologií a zvýšit konkurenceschopnost na globálním trhu. Sledujte další vývoj v oblasti miniaturizace a integrace optických technologií.

Vývoj ultrarychlých laserů na fotonických čipech

Fotonické čipy manipulují světlo pomocí mikroskopických struktur zvaných vlnovody, které jsou vyryty do waferu. Podobně jako elektronické čipy řídí elektrické signály, fotonické čipy vedou a zpracovávají světlo. Tyto čipy jsou již široce používány v telekomunikacích a pomohly miniaturizovat mnoho optických technologií, které dříve vyžadovaly mnohem větší zařízení.

„Více než dvacet let byl femtosekundový laser s vysokou pulzní energií na čipu považován za svatý grál integrované fotoniky,“ říká profesor Tobias J. Kippenberg. „Náš výsledek ukazuje, že je to nejen možné, ale že toho lze dosáhnout s překvapivě elegantní architekturou, kterou komunita integrované fotoniky přehlížela.“

Přehlížený design laseru přináší výsledky

Aby dosáhli tohoto úspěchu, vědci přijali laserovou architekturu známou jako Mamyshevův oscilátor, což je design, který v integrované fotonice získal relativně málo pozornosti. Systém umisťuje nelineární vlnovod mezi dva optické filtry, z nichž každý propouští jinou část světelného spektra. Když intenzivní laserový pulz prochází vlnovodem, rozšiřuje se do širšího spektra barev. Část tohoto rozšířeného pulzu pak může projít oběma filtry a pokračovat v oběhu uvnitř laserové dutiny. Slabší světlo se chová jinak. Protože se nerozšíří dostatečně, je filtrem blokováno a odstraněno z cyklu.

„Tento design je obzvláště atraktivní, protože nevyžaduje žádnou součást, kterou by bylo obtížné vyrobit na tomto erbium-dopovaném čipu z nitridu křemíku,“ vysvětluje Zheru Qiu, spoluautor článku. Podle Qiu nabízí design další významnou výhodu. Fotonické čipy omezují světlo na extrémně malé vlnovody, což způsobuje, že světlo silně interaguje samo se sebou. V mnoha laserových architekturách mohou tyto nelineární efekty destabilizovat laserové pulzy. Mamyshevův oscilátor je však mnohem méně náchylný k těmto problémům, což ho činí obzvláště vhodným pro integrovaná fotonická zařízení.

Malé zařízení, velký potenciál

Laserová dutina měří 42 centimetrů na délku, přesto ji lze složit na čip zabírající přibližně plochu hlavy zápalky. To ji činí dramaticky menší než konvenční ultrarychlé lasery založené na vláknech. Protože fotonické čipy mohou být vyráběny v měřítku waferu pomocí metod podobných těm, které se používají pro počítačové čipy, mohlo by být potenciálně vyrobeno více než 1 000 laserových dutin současně. Tato výrobní výhoda by mohla výrazně snížit náklady na ultrarychlé lasery a rozšířit jejich dostupnost pro aplikace v oblasti senzoriky, spektroskopie a přesného měření.

„S kilowattovými úrovněmi špičkového výkonu může čip pohánět náročné aplikace, které dlouho závisely na velkých, drahých laboratorních laserech,“ říká Qiu. Vědci věří, že technologie by mohla nakonec vést k přenosným a cenově dostupným zařízením pro detekci environmentálních znečišťujících látek, identifikaci skrytých vad v materiálech a provádění lékařské diagnostiky. Mohla by také pomoci otevřít cestu pro kompaktní optické atomové hodiny, které mohou hrát důležité role v budoucích komunikačních a navigačních systémech.

Na práci se podíleli vědci z EPFL Institute of Electrical and Microengineering a Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).

Mohlo by vás zajímat

Původní článek: After 20 years, scientists finally shrink a powerful laser onto a chip

Nejčastější dotazy

Jak funguje nový ultrarychlý laser na čipu?

Nový ultrarychlý laser na čipu funguje na principu generování krátkých pulzů světla, které trvají jen několik stovek femtosekund. Tento laser je integrovaný na čipu, což umožňuje jeho miniaturizaci a snížení nákladů ve srovnání s tradičními stolními lasery.

Jaké jsou aplikace nového laseru?

Nový laser má široké využití, od lékařské diagnostiky, přes oční chirurgii až po výrobu přesných optických zařízení. Díky své malé velikosti a nízkým nákladům by mohl být přístupnější pro různé obory.

Co znamená zmenšení laseru na čip pro vědu a technologii?

Zmenšení laseru na čip znamená, že pokročilé laserové technologie budou dostupnější a levnější, což může urychlit inovace v oblastech jako je optika, telekomunikace a medicína. To také otevírá nové možnosti pro výzkum a aplikace, které dříve nebyly možné kvůli velikosti a ceně tradičních laserů.