L'uso dei laser nella vita di tutti i giorni è diventato relativamente comune e possono anche essere uno strumento importante per osservare, analizzare e quantificare cose in natura invisibili a occhio nudo - compiti che, sfortunatamente, in passato sono stati limitati da la necessità di utilizzare strumenti grandi e costosi.
Un team di scienziati della City University di New York e del California Institute of Technology ha dimostrato sperimentalmente un nuovo modo per fabbricare laser ultraveloci e ad alte prestazioni su chip nanofotonici: hanno dimostrato i primi laser mode-locked pompati elettricamente al mondo con elevata potenza potenza di picco dell'impulso integrata su fotochip a film sottile di niobato di litio. La ricerca è stata recentemente pubblicata come storia di copertina sulla rivista Science.
La ricerca si basa su un laser miniaturizzato con modalità bloccata, che emette un laser unico che emette un treno di impulsi luminosi ultracorti e coerenti a intervalli di femtosecondi, ha affermato il leader del team Qiushi Guo.
I laser ultraveloci con modalità bloccata svolgono un ruolo centrale nello svelare i misteri delle scale temporali più veloci della natura, che includono lo studio della formazione e della rottura dei legami molecolari nelle reazioni chimiche e l'esplorazione della dinamica della propagazione della luce in mezzi turbolenti.
È lo sviluppo di laser mode-locked, grazie alla loro intensità di picco di impulso veloce e all’ampia copertura spettrale, che ha anche alimentato lo sviluppo di una varietà di tecnologie fotoniche, inclusi gli orologi atomici ottici, il bio-imaging e il calcolo dei dati basati sulla luce. nei computer.
Sfortunatamente, anche i laser mode-locked all'avanguardia di oggi sono ancora costosi e assetati di energia, il che ha portato il loro utilizzo a essere in gran parte limitato agli ambienti di laboratorio.
L'obiettivo del suddetto team è rivoluzionare il campo della fotonica ultraveloce trasformando grandi sistemi di laboratorio in sistemi delle dimensioni di un chip che possono essere prodotti in serie e implementati sul campo. Vogliono solo rendere le cose più piccole, ma vogliono anche assicurarsi che questi laser ultraveloci delle dimensioni di un chip forniscano prestazioni soddisfacenti. Ad esempio, hanno bisogno di un’intensità di impulso di picco sufficiente, preferibilmente superiore a 1 watt, per costruire sistemi significativi su scala chip.
Tuttavia, realizzare e integrare efficienti laser mode-locked su un chip è un compito impegnativo. Questa ricerca utilizza il niobato di litio a film sottile (TFLN), una piattaforma di materiali innovativa. Utilizzando questo materiale, è possibile controllare con precisione e formare in modo efficiente gli impulsi laser aggiungendo un segnale elettrico RF esterno.
Nei loro esperimenti, il team di Guo ha abilmente combinato le caratteristiche di elevato guadagno laser dei semiconduttori III-V con la capacità altamente efficiente di modellare gli impulsi delle guide d'onda nanofotoniche TFLN, dimostrando infine un laser con una potenza di picco in uscita fino a 0,5 watt .
Oltre alle sue dimensioni compatte, il laser con modalità bloccata da loro dimostrato presenta diverse nuove interessanti funzionalità che potrebbero essere molto promettenti per applicazioni future.
Ad esempio, sintonizzando con precisione la corrente della pompa del laser, Guo ha realizzato la capacità di ottimizzare la frequenza di ripetizione dell'impulso di uscita su un'ampia gamma di 200 MHz. Utilizzando la robusta riconfigurabilità del laser dimostrativo, il team spera di facilitare sorgenti a pettine stabilizzate in frequenza, su scala di chip, fondamentali per le applicazioni di rilevamento di precisione.
Anche se realizzare sistemi fotonici scalabili, integrati e ultraveloci per dispositivi portatili e palmari presenta ulteriori sfide per il team di Kuo, l'attuale dimostrazione segna un'importante pietra miliare nel superare importanti ostacoli.
Questo risultato apre la strada all’utilizzo dei telefoni cellulari per diagnosticare malattie degli occhi o analizzare l’E. coli e virus pericolosi negli alimenti e nell’ambiente. Potrebbe anche contribuire a creare gli orologi atomici del futuro, su scala di chip, consentendo la navigazione quando il GPS è danneggiato o non disponibile.
Gli scienziati hanno superato un grosso ostacolo con quest’ultima dimostrazione. Ciononostante, gli scienziati non vedono l'ora di affrontare gli ulteriori ostacoli legati allo sviluppo di sistemi fotonici scalabili, integrati e ultraveloci che possano essere utilizzati su dispositivi portatili e palmari.
