I laser a luce visibile si riducono a scaglie di chip

I ricercatori negli Stati Uniti hanno creato i primi laser a luce visibile ad alte prestazioni, sintonizzabili e con una larghezza di linea ridotta che sono abbastanza piccoli da stare su un chip fotonico. Sviluppati da un team della Columbia University School of Engineering and Applied Science, i nuovi laser operano a lunghezze d'onda inferiori alla parte rossa dello spettro elettromagnetico e potrebbero essere impiegati in tecnologie come l'ottica quantistica, la bioimaging e i display laser.

"Fino ad ora, i laser con prestazioni simili a quelli che abbiamo sviluppato erano di dimensioni da banco e costosi, il che li rendeva inadatti a tecnologie ad alto impatto come orologi atomici portatili e dispositivi AR/VR [realtà aumentata e realtà virtuale]", spiega Matteo Corato Zanarella, un membro di Il gruppo di nanofotonica di Michal Lipson alla Colombia. «Nel nostro lavoro mostriamo come possiamo utilizzare la fotonica integrata per ridurre drasticamente le dimensioni di sistemi laser complessi».

La fotonica integrata ha già rivoluzionato il modo in cui controlliamo la luce per applicazioni come comunicazioni di dati, imaging, rilevamento e dispositivi biomedici, aggiunge. Instradando e modellando la luce utilizzando componenti su micro e nanoscala, è ora possibile ridurre interi sistemi ottici fino a oggetti che possono stare sulla punta di un dito. Nonostante i grandi progressi, tuttavia, mancano laser su scala di chip ad alte prestazioni, il che significa che un componente chiave per la miniaturizzazione completa rimane fuori portata.

Luce sintonizzabile e con larghezza di linea ridotta di lunghezze d'onda più corte del rosso

La nuova piattaforma laser su chip di Columbia è la prima a dimostrare luce sintonizzabile e larghezza di riga ridotta a lunghezze d'onda inferiori al rosso, con l'impronta più piccola e la lunghezza d'onda più corta (404 nm) di una piattaforma laser integrata. È composto da diodi laser Fabry-Perot commerciali come sorgenti luminose e da un chip integrato fotonico (PIC) con risonatori di nitruro di silicio di dimensioni micron. Quest'ultimo componente è progettato per modificare l'emissione laser in modo che sia monofrequenza, facilmente sintonizzabile e di larghezza di riga ridotta attraverso un processo fisico noto come blocco dell'autoiniezione. Senza questo PIC, il dispositivo emetterebbe a diverse lunghezze d'onda e non sarebbe facilmente sintonizzabile.

"Ogni diodo laser originariamente emette luce impura di diverse sfumature di un colore e progettiamo il nostro PIC per 'purificare' quell'emissione", racconta Zanarella Mondo della fisica. «Quando combiniamo il diodo e il chip, il feedback ottico selettivo e controllabile fornito dal PIC costringe il laser a emettere un singolo colore di elevata purezza invece di più sfumature».

Applicazioni di fascia alta

I ricercatori affermano di poter generare e controllare la luce pura a colori dal vicino ultravioletto al vicino infrarosso in modo preciso e veloce, fino a 267 petahertz/secondo. Tale luce potrebbe essere impiegata in applicazioni di fascia alta come orologi atomici portatili che in precedenza non erano possibili a causa delle dimensioni delle sorgenti laser richieste. Altre potenziali applicazioni includono informazioni quantistiche, biosensing, raggio laser subacqueo (LiDAR) e Li-Fi (comunicazioni a luce visibile).

Impulsi di luce visibile ultrabrevi resi facili

"La cosa entusiasmante di questo lavoro è che abbiamo utilizzato la potenza della fotonica integrata per rompere il paradigma esistente secondo cui i laser visibili ad alte prestazioni devono essere da banco e costare decine di migliaia di dollari", afferma Zanarella. “Fino ad ora, è stato impossibile ridurre e implementare in massa tecnologie che richiedono laser visibili sintonizzabili e di larghezza di linea ridotta. Un esempio notevole è l'ottica quantistica, che richiede laser ad alte prestazioni di diversi colori in un unico sistema. Prevediamo che le nostre scoperte consentiranno sistemi di luce visibile completamente integrati per le tecnologie esistenti e nuove”.

I ricercatori della Columbia intendono ora trasformare il loro laser su scala di chip in unità autonome che possono essere facilmente implementate in applicazioni pratiche. Hanno anche depositato un brevetto per la loro tecnologia, in cui descrivono Nature Photonics.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/visible-light-lasers-shrink-to-chip-scale/