După două decenii de cercetări, oamenii de știință au reușit să miniaturizeze un laser ultrafast, transformând un dispozitiv de dimensiuni considerabile într-un component ce poate fi integrat pe un cip. Această inovație, dezvoltată de cercetătorii de la EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne), are potențialul de a face tehnologiile laser avansate mult mai mici, mai ieftine și mai accesibile pentru o gamă largă de aplicații, de la diagnostic medical la ceasuri atomice de înaltă precizie.
Timp de decenii, laserele ultrafast au reprezentat unele dintre cele mai puternice instrumente în optica modernă. Impulsurile lor, cu o durată de doar câteva sute de femtosecunde (o cvadrilioane de secundă), au permis dezvoltarea unor tehnologii precum prelucrarea de precizie, chirurgia oculară și "pieptenii" optici de frecvență, inovație premiată cu Nobel, care stă la baza celor mai precise ceasuri atomice din lume. Cu toate acestea, aceste lasere au rămas în mare parte sisteme voluminoase și costisitoare, necesitând mese optice dedicate.
Acum, o echipă condusă de profesorul Tobias J. Kippenberg de la EPFL a realizat un progres semnificativ, capabil să micșoreze dramatic această tehnologie. Publicată în revista Nature, cercetarea prezintă primul laser ultrafast integrat, capabil să egaleze performanța laserelor femtosecundare tradiționale, de dimensiuni de banc. Dispozitivul livrează energii de impuls de 1,05 nanojouli și durate de impuls de până la 147 de femtosecunde, totul de pe un cip fotonic.
Cipurile fotonice manipulează lumina prin intermediul unor structuri microscopice numite ghiduri de undă, gravate pe o placă de siliciu. Similar modului în care cipurile electronice dirijează semnalele electrice, cipurile fotonice ghidează și procesează lumina. Aceste cipuri sunt deja utilizate pe scară largă în telecomunicații și au contribuit la miniaturizarea multor tehnologii optice care necesitau anterior echipamente mult mai mari.
„De peste douăzeci de ani, un laser femtosecundar cu energie înaltă pe cip era considerat un "Sfânt Graal" al fotonicii integrate”, afirmă Kippenberg. „Rezultatul nostru demonstrează nu doar că acest lucru este posibil, ci că poate fi realizat printr-o arhitectură surprinzător de elegantă, pe care comunitatea fotonicii integrate o neglijase.”
Pentru a atinge acest obiectiv, cercetătorii au adoptat o arhitectură laser cunoscută sub numele de oscilator Mamyshev, un design care a primit relativ puțină atenție în domeniul fotonicii integrate. Sistemul plasează un ghid de undă neliniar între două filtre optice, fiecare transmițând o porțiune diferită a spectrului de lumină. Când un impuls laser intens trece prin ghidul de undă, acesta se extinde într-un interval mai larg de culori. O parte din acest impuls extins poate trece apoi prin ambele filtre și poate continua să circule în cavitatea laser. Lumina mai slabă se comportă diferit. Deoarece nu se extinde suficient, este blocată de filtre și eliminată din ciclu.
„Acest design este deosebit de atractiv deoarece nu necesită componente dificil de fabricat pe acest cip din nitrură de siliciu dopat cu erbiu”, explică Zheru Qiu, unul dintre autorii principali ai lucrării. Potrivit lui Qiu, designul oferă un alt avantaj major. Cipurile fotonice confin lumina în ghiduri de undă extrem de mici, determinând o interacțiune puternică a luminii cu ea însăși. În multe arhitecturi de lasere, aceste efecte neliniare pot destabiliza impulsurile laser. Oscilatorul Mamyshev, însă, este mult mai puțin susceptibil la aceste probleme, făcându-l deosebit de potrivit pentru dispozitivele fotonice integrate.
Cavitatea laser măsoară 42 de centimetri în lungime, dar poate fi pliată pe un cip ce ocupă aproximativ aria unui cap de chibrit. Acest lucru îl face dramatic mai mic decât laserele ultrafast convenționale bazate pe fibră optică. Deoarece cipurile fotonice pot fi fabricate la scară de placă, utilizând metode similare cu cele folosite pentru cipurile de calculator, peste 1.000 de cavități laser ar putea fi produse simultan. Acest avantaj de fabricație ar putea reduce semnificativ costul laserelor ultrafast, extinzându-le disponibilitatea pentru aplicații de detecție, spectroscopie și măsurare de precizie.
„Cu puteri de vârf de nivel kilowatt, cipul poate alimenta aplicații solicitante care au depins mult timp de lasere de laborator mari și scumpe”, spune Qiu. Cercetătorii cred că tehnologia ar putea duce, în cele din urmă, la dispozitive portabile și accesibile pentru detectarea poluanților din mediu, identificarea defectelor ascunse în materiale și efectuarea de diagnostice medicale. De asemenea, ar putea contribui la dezvoltarea ceasurilor atomice optice compacte, care ar putea juca roluri importante în viitoarele sisteme de comunicații și navigație. Lucrarea a implicat cercetători de la Institutul de Inginerie Electrică și Microinginerie al EPFL și de la Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).