Ултрабързите лазери са едни от най-прецизните инструменти в съвременната наука. Те произвеждат изключително кратки импулси светлина – толкова кратки, че позволяват да се изследват бързи химични процеси, да се прави прецизна медицинска обработка на тъкани, да се измерва време с атомни часовници и да се изграждат системи за спектроскопия. Проблемът е, че такива лазери обикновено са големи, скъпи и сложни лабораторни системи.
Екип от EPFL съобщава за важна крачка към миниатюризацията им: интегриран ултрабърз лазер върху фотонен чип, който достига показатели, сравними с традиционни настолни фемтосекундни лазери. Изследването е публикувано в Nature и описва лазер, изграден върху фотонна интегрална схема от силициев нитрид с имплантирани ербиеви йони.
Фемтосекундата е една квадрилионна от секундата. Когато лазерът излъчва импулси с такава продължителност, той може да „осветява“ процеси, които иначе са твърде бързи за наблюдение. Но за да бъде полезен, един компактен лазер трябва да има не само кратки импулси, а и достатъчно енергия в тях. Именно това досега е било трудно при фотонните чипове.
Новият лазер работи без външно „засяване“ и доставя импулсен влак с честота 176 MHz и енергия от порядъка на наноджаул. Импулсите могат да бъдат компресирани до 147 фемтосекунди. ScienceDaily и EPFL подчертават, че устройството достига 1.05 наноджаула енергия на импулс – стойност, която го доближава до по-големи фибърни системи и надхвърля предишни източници върху фотонни чипове.
Ключът е архитектура, наречена Mamyshev oscillator. Обяснено просто, тя използва комбинация от нелинейно разширяване на спектъра и филтриране. Силните светлинни импулси се променят така, че могат да преминат през филтрите и да продължат да циркулират в лазерната кухина. По-слабият сигнал не преминава и се отстранява. Така системата естествено поддържа кратки и енергични импулси.
Фотонните чипове могат да насочват и обработват светлина в микроскопични структури, подобно на тначина, по който електронните чипове насочват електрически сигнали. Ако ултрабърз лазер с достатъчна мощност може да се произвежда върху чип, технологията става по-малка, потенциално по-евтина и по-лесна за интегриране в реални устройства.
В статията се посочва и конкретна демонстрация: лазерът директно задвижва широкоспектърен светлинен източник и компактен терахерцов спектрометър с честотна лента 5 THz и динамичен диапазон 90 dB. Това вече показва приложение, а не само лабораторен експеримент. Такива системи могат да се използват за безконтактен химичен анализ, проверка на материали, откриване на дефекти и прецизни измервания.
Възможните бъдещи приложения са много: по-компактни системи за медицинска диагностика, преносима спектроскопия, по-достъпни оптични атомни часовници, сензори за околна среда и инструменти за производство. Но е важно да се подчертае, че това не означава моментално навлизане в масови потребителски устройства. Между лабораторна демонстрация и надежден индустриален продукт има още работа: стабилност, производство, цена, охлаждане, управление и интеграция с останалата електроника.
Най-силният извод е друг: фотониката постепенно премества сложни оптични технологии от големите лабораторни маси към чипове. Това вече се случи при много телекомуникационни компоненти. Ако същият процес продължи и при ултрабързите лазери, част от най-прецизните измервателни инструменти на науката може да стане много по-достъпна.
