Lazerlerin günlük yaşamda kullanımı nispeten yaygın hale geldi ve aynı zamanda doğada çıplak gözle görülmeyen şeyleri gözlemlemek, analiz etmek ve ölçmek için de önemli bir araç olabiliyorlar; bu görevler ne yazık ki geçmişte lazer teknolojisiyle sınırlıydı. büyük, pahalı aletlerin kullanılması ihtiyacı.
New York Şehir Üniversitesi ve Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü ekibinden bir bilim insanı ekibi, nanofotonik çipler üzerinde yüksek performanslı, ultra hızlı lazerler üretmenin yeni bir yolunu deneysel olarak gösterdiler; dünyanın ilk yüksek performanslı, elektrikle pompalanan mod kilitli lazerlerini gösterdiler. İnce film lityum niyobat foto çiplerine entegre edilmiş tepe darbe gücü. Araştırma yakın zamanda Science dergisinde kapak yazısı olarak yayımlandı.
Ekip lideri Qiushi Guo, araştırmanın femtosaniye aralıklarla ultra kısa tutarlı ışık darbeleri dizisi yayan benzersiz bir lazer yayan minyatür mod kilitli bir lazere dayandığını söyledi.
Ultra hızlı mod kilitli lazerler, kimyasal reaksiyonlarda moleküler bağların oluşumunu ve kırılmasını incelemek ve türbülanslı ortamlarda ışık yayılımının dinamiklerini araştırmak da dahil olmak üzere, doğanın en hızlı zaman ölçeklerinin gizemlerini çözmede merkezi bir rol oynamaktadır.
Hızlı darbe tepe yoğunlukları ve geniş spektral kapsamaları nedeniyle mod kilitli lazerlerin geliştirilmesi, aynı zamanda optik atom saatleri, biyo-görüntüleme ve ışık tabanlı veri hesaplama dahil olmak üzere çeşitli fotonik teknolojilerin gelişimini de ateşlemiştir. bilgisayarlarda.
Ne yazık ki, günümüzün en gelişmiş mod kilitli lazerleri bile hala hem pahalı hem de çok fazla enerji tüketiyor; bu da kullanımlarının büyük ölçüde laboratuvar ortamlarıyla sınırlı kalmasına yol açıyor.
Bahsi geçen ekibin hedefi: Büyük laboratuvar sistemlerini seri üretilebilen ve sahada konuşlandırılabilen çip boyutlu sistemlere dönüştürerek ultra hızlı fotonik alanında devrim yaratmaktır. Sadece işleri küçültmek istiyorlar ama aynı zamanda bu ultra hızlı çip boyutlu lazerlerin tatmin edici bir performans sağladığından da emin olmak istiyorlar. Örneğin, anlamlı çip ölçekli sistemler oluşturmak için yeterli tepe darbe yoğunluğuna, tercihen 1 watt'tan fazlasına ihtiyaç duyarlar.
Bununla birlikte, verimli mod kilitli lazerlerin bir çip üzerinde gerçekleştirilmesi ve entegre edilmesi zorlu bir iştir. Bu araştırma, yenilikçi bir malzeme platformu olan ince film lityum niyobatı (TFLN) kullanıyor. Bu malzemeyi kullanarak, harici bir RF elektrik sinyali ekleyerek lazer darbelerini hassas bir şekilde kontrol etmek ve verimli bir şekilde oluşturmak mümkündür.
Guo'nun ekibi deneylerinde, III-V yarı iletkenlerin yüksek lazer kazanç özelliklerini TFLN nanofotonik dalga kılavuzlarının yüksek verimli darbe şekillendirme kapasitesiyle ustaca birleştirdi ve sonuçta 0,5 watt'a kadar çıkış tepe gücüne sahip bir lazer ortaya çıkardı. .
Kompakt boyutuna ek olarak, gösterdikleri mod kilitli lazer, gelecekteki uygulamalar için büyük umut vaat edebilecek birçok heyecan verici yeni özelliğe sahiptir.
Örneğin Guo, lazerin pompa akımını hassas bir şekilde ayarlayarak, çıkış darbe tekrarlama frekansının 200 MHz'lik geniş bir aralıkta ince ayar yapılabileceğini fark etti. Ekip, gösteri lazerinin güçlü yeniden yapılandırılabilirliğini kullanarak, hassas algılama uygulamaları için kritik öneme sahip çip ölçekli, frekansı stabilize edilmiş tarak kaynaklarını kolaylaştırmayı umuyor.
Taşınabilir ve elde taşınır cihazlar için ölçeklenebilir, entegre, ultra hızlı fotonik sistemlerin gerçekleştirilmesi Kuo'nun ekibi için ek zorluklar sunarken, mevcut gösteri büyük engellerin aşılmasında önemli bir kilometre taşına işaret ediyor.
Bu başarı, cep telefonlarının göz hastalıklarını teşhis etmek veya gıda ve çevredeki E. coli ve tehlikeli virüsleri analiz etmek için kullanılmasının önünü açıyor. Ayrıca geleceğin çip ölçekli atom saatlerinin yaratılmasına da yardımcı olabilir ve GPS hasar gördüğünde veya kullanılamadığında navigasyona olanak sağlayabilir.
Bilim insanları bu son gösteriyle büyük bir engeli aştı. Bununla birlikte bilim insanları, taşınabilir ve el tipi cihazlarda kullanılabilecek ölçeklenebilir, entegre, ultra hızlı fotonik sistemler geliştirmenin getirdiği ek engelleri aşmayı sabırsızlıkla bekliyorlar.
