Φυσικοί στη Σχολή Μηχανικής και Εφαρμοσμένων Επιστημών John A. Paulson του Χάρβαρντ (SEAS) ανέπτυξαν ένα συμπαγές λέιζερ που εκπέμπει φωτεινούς παλμούς πολύ μικρής διάρκειας στο μεσαίο υπέρυθρο φάσμα – μια φασματική περιοχή επιστημονικά πολύτιμη και τεχνικά απαιτητική. ‘
Η συσκευή προσφέρει την απόδοση πολύ μεγαλύτερων φωτονικών συστημάτων, ενώ χωράει εξ ολοκλήρου σε ένα τσιπ.
Η μελέτη δημοσιεύτηκε στις 16 Απριλίου στο περιοδικό Nature και αποτελεί την πρώτη επίδειξη παραγωγής παλμών λέιζερ πίκο-δευτερολέπτου στο μεσαίο υπέρυθρο, χωρίς εξωτερικά εξαρτήματα. Το λέιζερ μπορεί να δημιουργήσει μια οπτική χτένα συχνοτήτων – ένα φάσμα με ομοιόμορφα κατανεμημένες συχνότητες – που χρησιμοποιείται ευρέως για υψηλής ακρίβειας μετρήσεις. Αυτή η συμπαγής πλατφόρμα μπορεί να οδηγήσει στη δημιουργία νέας γενιάς φασματογράφων και αισθητήρων αερίων.
Διεθνής ομάδα και υποστήριξη από μεγάλους οργανισμούς
Την έρευνα ηγήθηκε ο καθηγητής Federico Capasso, Robert L. Wallace Καθηγητής Εφαρμοσμένης Φυσικής και Ερευνητής Ηλεκτρολογίας στο SEAS.
Η εργασία χρηματοδοτήθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (NSF) και το Υπουργείο Άμυνας των ΗΠΑ. Συνεργάστηκαν ερευνητικές ομάδες από το Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας της Βιέννης (TU Wien), την Ιταλία υπό τον Luigi A. Lugiato και τη Leonardo DRS Daylight Solutions με επικεφαλής τον Timothy Day.
«Πρόκειται για μια συναρπαστική νέα τεχνολογία που ενσωματώνει μη γραμμική φωτονική σε τσιπ για να παράγει υπερβραχείς παλμούς φωτός στο μεσαίο υπέρυθρο· κάτι τέτοιο δεν υπήρχε μέχρι τώρα», δήλωσε ο Capasso.
«Επιπλέον, αυτές οι συσκευές μπορούν να παραχθούν σε βιομηχανικά εργοστάσια ημιαγωγών, με τις υπάρχουσες διαδικασίες κατασκευής».
Η δύναμη του μεσαίου υπερύθρου στην ανίχνευση αερίων
Το μεσαίο υπέρυθρο είναι μια αόρατη περιοχή του φάσματος που έχει ιδιαίτερη σημασία για περιβαλλοντικές εφαρμογές. Πολλά μόρια αερίων, όπως το διοξείδιο του άνθρακα και το μεθάνιο, απορροφούν αποτελεσματικά φως σε αυτήν την περιοχή, καθιστώντας την κρίσιμη για την ανίχνευσή τους. Η τεχνολογία λέιζερ κβαντικού καταρράκτη που πρωτοεμφανίστηκε τη δεκαετία του 1990 από τον Capasso, έχει ήδη καθιερωθεί για αυτόν τον σκοπό.
Η νέα έρευνα παρουσιάζει ένα μονοπάτι για τη δημιουργία ευρυζωνικών πηγών φωτός ικανών να ανιχνεύουν ταυτόχρονα πολλαπλά «δακτυλικά αποτυπώματα» απορρόφησης αερίων.
«Είναι ένα σημαντικό βήμα προς τη δημιουργία μιας υπερσυνεχούς πηγής φωτός, που θα μπορεί να παράγει χιλιάδες διαφορετικές συχνότητες, όλα σε ένα τσιπ», ανέφερε ο Dmitry Kazakov, ερευνητής στο εργαστήριο του Capasso και εκ των πρώτων συγγραφέων.
Επίλυση του προβλήματος παλμών σε QCLs
Βασικό στοιχείο του επιτεύγματος αποτελεί το λέιζερ κβαντικού καταρράκτη (QCL), που παράγει συνεκτικό φως στο μεσαίο υπέρυθρο με στοίβαξη νανοδομημένων ημιαγώγιμων υλικών. Σε αντίθεση με τα κοινά ημιαγώγιμα λέιζερ, οι QCLs δεν επιτρέπουν εύκολη δημιουργία παλμών λόγω της εξαιρετικά γρήγορης δυναμικής τους.
Οι υπάρχουσες τεχνολογίες παλμών βασισμένες σε QCLs απαιτούν περίπλοκα κυκλώματα και πολλά εξωτερικά εξαρτήματα. Παράλληλα, περιορίζονται ως προς την ισχύ εξόδου και το εύρος φάσματος.
Σολιτόνια και μικροκοιλότητες: η λύση στο πρόβλημα
Η νέα γεννήτρια παλμών συνδυάζει αρμονικά τεχνικές από τη μη γραμμική ολοκληρωμένη φωτονική και τα ολοκληρωμένα λέιζερ για τη δημιουργία συγκεκριμένων τύπων παλμών φωτός, που ονομάζονται σολιτόνια. Οι ερευνητές εμπνεύστηκαν από τις Kerr μικροκοιλότητες – μια φαινομενικά άσχετη τεχνολογία – για να παρακάμψουν την ανάγκη για τεχνικές όπως το mode-locking.
«Οι μετρήσεις μας ήταν ασυνήθιστες για την έρευνα σε QCLs», είπε ο Theodore Letsou, φοιτητής στο MIT και ερευνητής στο εργαστήριο του Capasso. «Συνδυάσαμε στοιχεία από διαφορετικά πεδία και εφαρμόσαμε μεθόδους από την κοινότητα των Kerr resonators στα δικά μας συστήματα».
Θεωρία του 1980 συναντά σύγχρονα λέιζερ
Οι ερευνητές βασίστηκαν στη θεωρία που δημοσιεύτηκε τη δεκαετία του 1980 για παθητικές Kerr κοιλότητες. Συν-συγγραφέας της νέας μελέτης είναι ο Luigi Lugiato, ο οποίος επαναδιατύπωσε την αρχική του εξίσωση για να περιγράψει τις δυναμικές του νέου λέιζερ.
«Αυτό είναι το αποκορύφωμα μιας πορείας που ξεκίνησε με την εξίσωση Lugiato-Lefever», είπε ο Lugiato. «Αυτό που ξεκίνησε ως μοντέλο για παθητικά συστήματα έχει εξελιχθεί σε ενιαίο πλαίσιο για χτένες συχνοτήτων με σολιτόνια σε κάθε είδους κοιλότητα».
Έτοιμο για μαζική παραγωγή
Το νέο λέιζερ μεσαίου υπερύθρου μπορεί να διατηρεί σταθερά την παραγωγή παλμών για ώρες. Σημαντικό είναι ότι μπορεί να παραχθεί μαζικά με υπάρχουσες βιομηχανικές διαδικασίες. Αποτελείται από μια δακτυλιοειδή κοιλότητα που οδηγείται εξωτερικά, ένα ενσωματωμένο λέιζερ που την ενεργοποιεί και μια δεύτερη ενεργή κοιλότητα που λειτουργεί ως φίλτρο. Τα τσιπ κατασκευάστηκαν στο TU Wien.
«Αυτή η τεχνολογία υπόσχεται να αλλάξει το παιχνίδι στον τομέα της φασματοσκοπίας μεσαίου υπερύθρου», δήλωσε ο Timothy Day από τη Leonardo DRS. «Η δυνατότητα χρήσης υφιστάμενων μεθόδων παραγωγής για τη μαζική παραγωγή τέτοιων συσκευών μπορεί να αλλάξει τα δεδομένα σε αγορές όπως η περιβαλλοντική παρακολούθηση, ο έλεγχος βιομηχανικών διεργασιών, η ιατρική διάγνωση και η έρευνα στις βιοεπιστήμες».
VIA: FoxReport.gr
