Het gebruik van lasers in het dagelijks leven is relatief gebruikelijk geworden, en ze kunnen ook een belangrijk hulpmiddel zijn voor het observeren, analyseren en kwantificeren van dingen in de natuur die onzichtbaar zijn voor het blote oog – taken die in het verleden helaas beperkt zijn gebleven door de noodzaak om grote, dure instrumenten te gebruiken.
Een team van wetenschappers van de City University of New York en het team van het California Institute of Technology heeft experimenteel een nieuwe manier gedemonstreerd om krachtige, ultrasnelle lasers op nanofotonische chips te fabriceren - ze hebben 's werelds eerste elektrisch gepompte mode-locked lasers gedemonstreerd met hoge piekpulsvermogen geïntegreerd op dunne-film lithiumniobaat-fotochips. Het onderzoek is onlangs als coverstory gepubliceerd in het tijdschrift Science.
Het onderzoek is gebaseerd op een geminiaturiseerde mode-locked laser - die een unieke laser uitzendt die een reeks ultrakorte coherente lichtpulsen uitzendt met intervallen van femtoseconden, zei teamleider Qiushi Guo.
Ultrasnelle mode-locked lasers spelen een centrale rol bij het ontrafelen van de mysteries van de snelste tijdschalen van de natuur, waaronder het bestuderen van de vorming en het verbreken van moleculaire bindingen in chemische reacties en het onderzoeken van de dynamiek van lichtvoortplanting in turbulente media.
Het is de ontwikkeling van mode-locked lasers, vanwege hun snelle pulspiekintensiteiten en brede spectrale dekking, die ook de ontwikkeling van een verscheidenheid aan fotonicatechnologieën heeft aangewakkerd, waaronder optische atoomklokken, bio-imaging en op licht gebaseerde gegevensberekening op computers.
Helaas zijn zelfs de huidige state-of-the-art mode-locked lasers nog steeds zowel duur als energievretend, wat ertoe heeft geleid dat het gebruik ervan grotendeels beperkt is tot laboratoriumomgevingen.
Het doel van het bovengenoemde team: is een revolutie teweegbrengen op het gebied van ultrasnelle fotonica door grote laboratoriumsystemen te transformeren in systemen ter grootte van een chip die in massa kunnen worden geproduceerd en in het veld kunnen worden ingezet. Ze willen de dingen alleen kleiner maken, maar ze willen er ook zeker van zijn dat deze ultrasnelle lasers ter grootte van een chip bevredigende prestaties leveren. Ze hebben bijvoorbeeld voldoende piekpulsintensiteit nodig, bij voorkeur meer dan 1 watt, om zinvolle systemen op chipschaal te bouwen.
Het realiseren en integreren van efficiënte mode-locked lasers op een chip is echter een uitdagende taak. Dit onderzoek maakt gebruik van dunne-film lithiumniobaat (TFLN), een innovatief materiaalplatform. Met behulp van dit materiaal is het mogelijk om laserpulsen nauwkeurig te controleren en efficiënt te vormen door een extern elektrisch RF-signaal toe te voegen.
In hun experimenten combineerde Guo's team vakkundig de hoge laserversterkingskarakteristieken van III-V-halfgeleiders met het zeer efficiënte pulsvormingsvermogen van TFLN nanofotonische golfgeleiders, waardoor uiteindelijk een laser werd gedemonstreerd met een uitgangspiekvermogen van maximaal 0,5 watt. .
Naast het compacte formaat heeft de mode-locked laser die ze hebben gedemonstreerd een aantal opwindende nieuwe functies die veelbelovend kunnen zijn voor toekomstige toepassingen.
Door bijvoorbeeld de pompstroom van de laser nauwkeurig af te stemmen, realiseerde Guo zich de mogelijkheid om de herhalingsfrequentie van de uitgangspuls nauwkeurig af te stemmen over een breed bereik van 200 MHz. Met behulp van de robuuste herconfigureerbaarheid van de demonstratielaser hoopt het team frequentie-gestabiliseerde kambronnen op chipschaal mogelijk te maken die cruciaal zijn voor precisiedetectietoepassingen.
Hoewel het realiseren van schaalbare, geïntegreerde, ultrasnelle fotonische systemen voor draagbare en draagbare apparaten extra uitdagingen voor het team van Kuo met zich meebrengt, markeert de huidige demonstratie een belangrijke mijlpaal in het overwinnen van grote hindernissen.
Deze prestatie maakt de weg vrij voor het gebruik van mobiele telefoons om oogziekten te diagnosticeren of E. coli en gevaarlijke virussen in voedsel en het milieu te analyseren. Het zou ook kunnen helpen bij het creëren van de atoomklokken op chipschaal van de toekomst, waardoor navigatie mogelijk wordt wanneer GPS beschadigd of niet beschikbaar is.
Wetenschappers hebben met deze nieuwste demonstratie een grote hindernis overwonnen. Desalniettemin kijken wetenschappers ernaar uit om de extra hindernissen aan te pakken die gepaard gaan met de ontwikkeling van schaalbare, geïntegreerde, ultrasnelle fotonische systemen die kunnen worden gebruikt op draagbare en draagbare apparaten.
