Việc sử dụng tia laser trong cuộc sống hàng ngày đã trở nên tương đối phổ biến và chúng cũng có thể là một công cụ quan trọng để quan sát, phân tích và định lượng những thứ trong tự nhiên mà mắt thường không nhìn thấy được - những công việc đáng tiếc đã bị hạn chế trong quá khứ bởi nhu cầu sử dụng các dụng cụ lớn, đắt tiền.
Một nhóm các nhà khoa học từ Đại học Thành phố New York và nhóm Viện Công nghệ California đã trình diễn thực nghiệm một phương pháp mới để chế tạo tia laser cực nhanh, hiệu suất cao trên chip nanophotonic - họ đã trình diễn tia laser khóa chế độ được bơm điện đầu tiên trên thế giới với hiệu suất cao. công suất xung cực đại được tích hợp trên chip ảnh lithium niobate màng mỏng. Nghiên cứu gần đây đã được xuất bản dưới dạng câu chuyện trang bìa trên tạp chí Khoa học.
Trưởng nhóm nghiên cứu Qiushi Guo cho biết nghiên cứu này dựa trên một loại laser khóa chế độ thu nhỏ – phát ra một loại laser độc đáo phát ra một chuỗi xung ánh sáng kết hợp siêu ngắn trong khoảng thời gian femto giây.
Các tia laser khóa chế độ cực nhanh đóng vai trò trung tâm trong việc làm sáng tỏ những bí ẩn về thang thời gian nhanh nhất của tự nhiên, bao gồm nghiên cứu sự hình thành và phá vỡ liên kết phân tử trong các phản ứng hóa học và khám phá động lực truyền ánh sáng trong môi trường hỗn loạn.
Chính sự phát triển của các laser bị khóa chế độ, do cường độ xung cực đại nhanh và vùng phủ phổ rộng của chúng, cũng đã thúc đẩy sự phát triển của nhiều công nghệ quang tử học, bao gồm đồng hồ nguyên tử quang học, hình ảnh sinh học và tính toán dữ liệu dựa trên ánh sáng. trong máy tính.
Thật không may, ngay cả các loại laser khóa chế độ hiện đại ngày nay vẫn vừa đắt tiền vừa ngốn điện, điều này dẫn đến việc sử dụng chúng phần lớn bị hạn chế trong môi trường phòng thí nghiệm.
Mục tiêu của nhóm nói trên: là cách mạng hóa lĩnh vực quang tử cực nhanh bằng cách chuyển đổi các hệ thống phòng thí nghiệm lớn thành các hệ thống cỡ chip có thể sản xuất hàng loạt và triển khai trên thực địa. Họ chỉ muốn làm mọi thứ nhỏ hơn nhưng họ cũng muốn đảm bảo rằng những tia laser cỡ chip cực nhanh này mang lại hiệu suất thỏa đáng. Ví dụ, họ cần cường độ xung cực đại đủ lớn, tốt nhất là trên 1 watt, để xây dựng các hệ thống quy mô chip có ý nghĩa.
Tuy nhiên, việc hiện thực hóa và tích hợp các tia laser khóa chế độ hiệu quả trên chip là một nhiệm vụ đầy thách thức. Nghiên cứu này sử dụng lithium niobate màng mỏng (TFLN), một nền tảng vật liệu cải tiến. Sử dụng vật liệu này, có thể điều khiển chính xác và hình thành các xung laser một cách hiệu quả bằng cách thêm tín hiệu điện RF bên ngoài.
Trong các thí nghiệm của mình, nhóm của Guo đã kết hợp một cách khéo léo các đặc tính khuếch đại tia laser cao của chất bán dẫn III-V với khả năng định hình xung hiệu quả cao của ống dẫn sóng quang tử nano TFLN, cuối cùng tạo ra một tia laser có công suất cực đại đầu ra lên tới 0,5 watt .
Ngoài kích thước nhỏ gọn, tia laser khóa chế độ mà họ trình diễn còn có một số tính năng mới thú vị có thể hứa hẹn nhiều ứng dụng trong tương lai.
Ví dụ, bằng cách điều chỉnh chính xác dòng bơm của tia laser, Guo nhận ra khả năng tinh chỉnh tần số lặp lại xung đầu ra trên phạm vi rộng 200 MHz. Bằng cách sử dụng khả năng cấu hình lại mạnh mẽ của laser trình diễn, nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho các nguồn lược ổn định tần số ở quy mô chip quan trọng cho các ứng dụng cảm biến chính xác.
Trong khi việc hiện thực hóa các hệ thống quang tử cực nhanh, tích hợp, có thể mở rộng cho các thiết bị di động và cầm tay đặt ra những thách thức bổ sung cho nhóm của Kuo, cuộc trình diễn hiện tại đánh dấu một cột mốc quan trọng trong việc vượt qua những trở ngại lớn.
Thành tựu này mở đường cho việc sử dụng điện thoại di động để chẩn đoán các bệnh về mắt hay phân tích vi khuẩn E. coli và các loại virus nguy hiểm trong thực phẩm và môi trường. Nó cũng có thể giúp tạo ra đồng hồ nguyên tử ở quy mô chip trong tương lai, cho phép điều hướng khi GPS bị hỏng hoặc không có sẵn.
Các nhà khoa học đã vượt qua trở ngại lớn với cuộc trình diễn mới nhất này. Tuy nhiên, các nhà khoa học đang mong muốn giải quyết các rào cản bổ sung trong việc phát triển các hệ thống quang tử cực nhanh, tích hợp, có thể mở rộng có thể được sử dụng trên các thiết bị di động và cầm tay.
