Femtosekundowy laser zmieścił się na główce zapałki. Naukowcy mówią o „Świętym Graalu”

Ultraszybkie lasery przez ponad dwie dekady pozostawały wielkie i kosztowne. Teraz jeden z nich zmieścił się na powierzchni główki zapałki — i dorównuje swoim stołowym poprzednikom.

„Święty Graal” zintegrowanej fotoniki

→ Czytaj też: Zamrozili światłowód do -196°C. Efekt może zmienić komputery na zawsze

Zespół z École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) opisał na łamach Nature pierwszy zintegrowany na chipie ultraszybki laser. Urządzenie generuje impulsy o energii 1,05 nanodżula i czasie trwania zaledwie 147 femtosekund — biliardowych części sekundy. To wynik, który stawia go na równi z masywnymi laserami femtosekundowymi.

Skala osiągnięcia robi wrażenie na samych badaczach. Profesor Tobias J. Kippenberg, autor publikacji, nie kryje, że cel uznawano za nieosiągalny.

„Przez ponad dwadzieścia lat femtosekundowy laser na chipie o wysokiej energii impulsu był powszechnie uznawany za świętego graala zintegrowanej fotoniki” — mówi Kippenberg.

Jak dodaje, kluczem okazała się nie tyle nowa technologia, ile sprytne wykorzystanie istniejącej. „Nasz wynik pokazuje, że jest to nie tylko możliwe, ale że można to osiągnąć za pomocą zaskakująco eleganckiej architektury, którą społeczność zajmująca się zintegrowaną fotoniką przeoczyła” — tłumaczy.

Światło w mikroskopijnych kanałach

→ Czytaj też: Chiny połączyły chipy światłem. Komputery przyspieszyły 100 razy

Układy fotoniczne prowadzą i przetwarzają światło w tworzonych na płytce półprzewodnikowej kanałach zwanych falowodami. Przypomina to pracę mikroprocesorów, które kierują przepływem prądu. Takie układy są już dziś szeroko stosowane w telekomunikacji i pozwoliły zminiaturyzować funkcje wymagające kiedyś znacznie większych systemów.

Szwajcarski zespół sięgnął po niedocenianą konstrukcję — oscylator Mamyszewa. We wnęce laserowej nieliniowy falowód znajduje się między dwoma filtrami optycznymi, z których każdy przepuszcza inny wycinek widma barw. Gdy silny impuls przechodzi przez falowód, rozszerza się na większy zakres barw i część światła przebija się przez oba filtry, krążąc dalej w układzie. Słabe światło nie rozszerza się wystarczająco i zostaje odrzucone.

Ta architektura ma jeszcze jedną zaletę. Gdy światło zostaje „ściśnięte” w mikroskopijnych falowodach, silnie oddziałuje samo ze sobą. Nadmiar takich oddziaływań destabilizuje impulsy w konwencjonalnych konstrukcjach — ale układ Mamyszewa jest na to znacznie mniej podatny.

42 centymetry zwinięte na główce zapałki

Na chipie utworzono wnękę lasera o długości 42 centymetrów, którą udało się zwinąć na powierzchni wielkości główki zapałki. To wymiary nieporównywalnie mniejsze niż u laserów światłowodowych. Co istotne, nowe chipy fotoniczne można wytwarzać metodą waflową — tak jak procesory — produkując równolegle ponad tysiąc laserowych wnęk naraz.

Masowa produkcja oznacza spadek kosztów. Według autorów otwiera to drogę do tanich laserów ultraszybkich w detekcji, spektroskopii i metrologii.

Po co nam laser na chipie?

Ultraszybkie impulsy znajdują zastosowanie w precyzyjnej mikroobróbce, chirurgii oka i optycznych grzebieniach częstotliwości — nagrodzonej Noblem technologii stojącej za najdokładniejszymi zegarami atomowymi. Dotąd wymagało to ciężkiego, drogiego sprzętu.

Badacze przewidują, że ich rozwiązanie pozwoli zbudować przenośne narzędzia do wykrywania zanieczyszczeń, ujawniania ukrytych defektów czy diagnostyki medycznej. Możliwe stają się też kompaktowe optyczne zegary atomowe dla przyszłych systemów komunikacji i nawigacji. Wielki laser właśnie zmieścił się w kieszeni.