Сверхбыстрые лазеры давно считаются одним из самых мощных инструментов современной оптики.
Их импульсы длятся всего несколько сотен фемтосекунд. Фемтосекунда — это квадриллионная доля секунды. Благодаря такой скорости эти лазеры используют в очень разных областях: от точного производства и глазной хирургии до оптических частотных гребёнок — технологии, за которую дали Нобелевскую премию и которая лежит в основе самых точных оптических атомных часов.
Но у таких лазеров была большая проблема: они обычно оставались громоздкими и дорогими установками. Часто это не маленькое устройство, а целая система, занимающая оптический стол в лаборатории.
Теперь исследователи под руководством профессора Тобиаса Киппенберга из EPFL сообщили о прорыве. Их команда создала первый интегрированный сверхбыстрый лазер, который по характеристикам способен соперничать с традиционными настольными фемтосекундными лазерами.
Устройство выдаёт энергию импульса 1,05 наноджоуля и импульсы длительностью до 147 фемтосекунд — и всё это на фотонном чипе.
Что такое фотонный чип
Фотонные чипы управляют не электрическими сигналами, а светом.
Для этого используются микроскопические структуры — волноводы, вытравленные на пластине. Если обычный электронный чип направляет электрические сигналы, то фотонный чип направляет и обрабатывает свет.
Такие чипы уже широко применяются в телекоммуникациях. Они также помогли уменьшить размеры многих оптических технологий, для которых раньше требовалось гораздо более крупное оборудование.
По словам Киппенберга, больше 20 лет мощный фемтосекундный лазер на чипе считался чем-то вроде «святого Грааля» интегрированной фотоники. Новая работа показывает, что это не просто возможно, но и может быть сделано с помощью довольно элегантной архитектуры, которую раньше недооценивали.
Старый подход, который неожиданно сработал
Чтобы добиться результата, исследователи использовали лазерную архитектуру, известную как осциллятор Мамышева.
В интегрированной фотонике этот подход долго не получал большого внимания. Но именно он оказался ключом к компактному мощному лазеру.
Схема работает так: между двумя оптическими фильтрами помещают нелинейный волновод. Каждый фильтр пропускает свою часть светового спектра.
Когда интенсивный лазерный импульс проходит через волновод, он расширяется в более широкий диапазон цветов. Часть этого расширенного импульса проходит через оба фильтра и продолжает циркулировать внутри лазерной полости.
Слабый свет ведёт себя иначе. Он недостаточно расширяется по спектру, поэтому фильтры его блокируют и фактически выбрасывают из цикла.
Один из ведущих авторов работы Жеру Цю объясняет, что такая конструкция особенно привлекательна: для неё не нужны компоненты, которые трудно изготовить на чипе из нитрида кремния, легированного эрбием.
Почему эта схема подходит именно для чипа
У фотонных чипов есть важная особенность: они удерживают свет в очень маленьких волноводах. Из-за этого свет начинает сильно взаимодействовать сам с собой.
Для многих лазерных архитектур такие нелинейные эффекты становятся проблемой: они могут нарушать стабильность импульсов.
Но осциллятор Мамышева гораздо менее чувствителен к этим трудностям. Поэтому он хорошо подходит именно для интегрированных фотонных устройств.
Маленький размер — большие возможности
Длина лазерной полости составляет 42 сантиметра. Но её можно свернуть на чипе, который занимает площадь примерно как головка спички.
Это радикально меньше, чем у обычных волоконных сверхбыстрых лазеров.
Есть и ещё одно важное преимущество: фотонные чипы можно производить на пластинах методами, похожими на те, что используются для компьютерных чипов. Потенциально это позволит одновременно изготавливать больше 1000 лазерных полостей.
Такой подход может заметно снизить стоимость сверхбыстрых лазеров и сделать их доступнее для сенсоров, спектроскопии и сверхточных измерений.
По словам Цю, чип способен выдавать пиковую мощность киловаттного уровня. Это значит, что он может работать в задачах, для которых раньше были нужны большие и дорогие лабораторные лазеры.
Где это может пригодиться
Исследователи считают, что новая технология со временем может привести к появлению портативных и более доступных устройств.
Такие устройства могут использоваться для обнаружения загрязнителей окружающей среды, поиска скрытых дефектов в материалах и медицинской диагностики.
Кроме того, технология может помочь в создании компактных оптических атомных часов. Такие часы могут сыграть важную роль в будущих системах связи и навигации.
Исследование опубликовано в журнале Nature.
