Физици от Харвард разработиха нов мощен лазер върху чип, който излъчва ярки импулси в средния инфрачервен спектър - неуловим и изключително полезен диапазон на светлината за откриване на газове и за създаване на нови спектроскопски инструменти.

Устройството, което съчетава възможностите на много по-големи системи в малък чип, не се нуждае от никакви външни компоненти. То обединява пробивния фотонен дизайн с квантово-каскадната лазерна технология и скоро може да направи революция в наблюдението на околната среда и медицинската диагностика, като открива хиляди светлинни честоти наведнъж.

Изследването е първата демонстрация на пикосекунден генератор на лазерни импулси в средния инфрачервен диапазон, който работи без външни компоненти. Лазерът може да генерира оптичен честотен гребен - спектър, съставен от равномерно разположени честоти - широко използван за високоточни измервания. Тази компактна платформа може да помогне за създаването на нови поколения широкоспектърни газови сензори за мониторинг на околната среда, както и на усъвършенствани спектроскопски инструменти за медицински изображения.

„Това е вълнуваща нова технология, която интегрира нелинейна фотоника в чипа за генериране на ултракъси светлинни импулси в средната инфрачервена област; досега такова нещо не е съществувало“, казва екипът. „Нещо повече, такива устройства могат лесно да се произвеждат в промишлена изработка на лазери, като се използва стандартно производство на полупроводници.“

Средната инфрачервена област е невидима част от електромагнитния спектър, която днес се използва в приложения за околната среда. Тъй като много газови молекули като въглероден диоксид и метан поглъщат ефективно светлината в средния инфрачервен диапазон, този диапазон на дължината на вълната е важен инструмент за мониторинг на газовете в околната среда, особено с квантово-каскадната лазерна технология, която е въведена за първи път от Capasso през 90-те години на миналия век.

Новият документ демонстрира пътя за генериране на широколентов светлинен източник, който би могъл да открива например много различни абсорбционни отпечатъци на газове в едно устройство.

Основополагащ за новото постижение в областта на нанофототехниката е квантовият каскаден лазер, който генерира кохерентни снопове светлина в средния инфрачервен диапазон чрез напластяване на различни наноструктурирани полупроводникови материали. За разлика от други полупроводникови лазери, които от десетилетия разчитат на утвърдени техники, наречени „заключване на режими“, за генериране на импулси, квантовите каскадни лазери остават известни с това, че е трудно да се импулсират поради присъщата им свръхбърза динамика.

Съществуващите генератори на импулси в средната инфрачервена област, базирани на квантови каскадни лазери, обикновено изискват сложни настройки за постигане на импулсно излъчване, както и много дискретни хардуерни компоненти. Освен това те обикновено са ограничени до определена изходна мощност и спектрална ширина на честотната лента.

Новият генератор на импулси безпроблемно съчетава в едно устройство няколко концепции в областта на нелинейната интегрирана фотоника и интегрираните лазери за създаване на специфични видове пикосекундни светлинни импулси, наречени солитони. При проектирането на архитектурата на чипа изследователите са се вдъхновили от привидно несвързан вид устройство за модулиране на светлината, наречено микрорезонатор на Кер. Творческото им мислене им е позволило да заобиколят традиционните техники за генериране на импулси, като например заключването на мода.

Снимка: Unsplash

Виж още: Телефоните с Android скоро ще се рестартират сами, ако стоят неизползвани 3 дни