Lasere med synlig lys krymper til brikkeskala

Forskere i USA har skapt de første høyytelses, justerbare og smal-linjebredde synlig lys-laserne som er små nok til å passe på en fotonisk brikke. Utviklet av et team ved Columbia University School of Engineering and Applied Science, opererer de nye laserne ved bølgelengder kortere enn den røde delen av det elektromagnetiske spekteret og kan brukes i teknologier som kvanteoptikk, bioimaging og laserskjermer.

"Inntil nå har lasere med ytelse som ligner på de vi har utviklet vært i benketoppstørrelse og dyre, noe som gjorde dem uegnet for høyeffektteknologier som bærbare atomklokker og AR/VR-enheter [augmented reality og virtual reality]," forklarer Mateus Corato Zanarella, medlem av Michal Lipsons nanofotonikkgruppe i Columbia. "I arbeidet vårt viser vi hvordan vi kan bruke integrert fotonikk for å drastisk krympe størrelsen på komplekse lasersystemer."

Integrert fotonikk har allerede revolusjonert måten vi kontrollerer lys for applikasjoner som datakommunikasjon, bildebehandling, sansing og biomedisinsk utstyr, legger han til. Ved å dirigere og forme lys ved hjelp av komponenter i mikro- og nanoskala, er det nå mulig å krympe hele optiske systemer ned til objekter som kan passe på en fingertupp. Til tross for store fremskritt har imidlertid høyytelseslasere i brikkeskala manglet – noe som betyr at en nøkkelkomponent for fullstendig miniatyrisering fortsatt er utenfor rekkevidde.

Justerbart lys med smal linjebredde med bølgelengder kortere enn rødt

Columbias nye on-chip laserplattform er den første som demonstrerer justerbart lys med smal linjebredde ved bølgelengder kortere enn rødt, med det minste fotavtrykket og korteste bølgelengden (404 nm) til en integrert laserplattform. Den er sammensatt av kommersielle Fabry-Perot laserdioder som lyskilder og en fotonisk integrert brikke (PIC) med silisiumnitridresonatorer i mikronstørrelse. Den sistnevnte komponenten er designet for å modifisere laserutslippet til å være enkeltfrekvens, lett justerbart og smalt i linjebredde gjennom en fysisk prosess kjent som selvinjeksjonslåsing. Uten denne PIC ville enheten sende ut ved flere bølgelengder og ville ikke være lett å justere.

"Hver laserdiode sender opprinnelig ut urent lys av forskjellige nyanser av en farge, og vi designer vår PIC for å "rense" den emisjonen," forteller Zanarella Fysikkens verden. "Når vi kombinerer dioden og brikken, tvinger den selektive og kontrollerbare optiske tilbakemeldingen fra PIC laseren til å sende ut en enkelt farge med høy renhet i stedet for flere nyanser."

Avanserte applikasjoner

Forskerne sier at de kan generere og kontrollere rent lys i farger fra nesten ultrafiolett til nær-infrarødt på en presis og rask måte – opptil 267 petahertz/sekund. Slikt lys kan brukes i avanserte applikasjoner som bærbare atomklokker som tidligere ikke var mulig på grunn av størrelsen på de nødvendige laserkildene. Andre potensielle bruksområder inkluderer kvanteinformasjon, biosensing, undervannslaseravstandsmåling (LiDAR) og Li-Fi (kommunikasjon med synlig lys).

Ultrakorte synlige lyspulser gjort enkelt

"Det som er spennende med dette arbeidet er at vi har brukt kraften til integrert fotonikk til å bryte det eksisterende paradigmet om at høyytelses synlige lasere må være benchtop og koste titusenvis av dollar," sier Zanarella. «Inntil nå har det vært umulig å krympe og massedistribuere teknologier som krever justerbare og synlige lasere med smal linjebredde. Et bemerkelsesverdig eksempel er kvanteoptikk, som krever høyytelseslasere i flere farger i et enkelt system. Vi forventer at funnene våre vil muliggjøre fullt integrerte synlige lyssystemer for eksisterende og nye teknologier."

Columbia-forskerne har nå til hensikt å gjøre laseren sin i brikkeskala til frittstående enheter som enkelt kan brukes i praktiske applikasjoner. De har også søkt patent på teknologien sin, som de beskriver i Nature Photonics.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/visible-light-lasers-shrink-to-chip-scale/