Jak wyjaśniają eksperci z École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), ultraszybkie lasery emitują impulsy trwające zaledwie kilkaset femtosekund, czyli biliardowych części sekundy.

Takie błyski światła znajdują zastosowanie m.in. w precyzyjnej mikroobróbce, chirurgii oka czy w tzw. optycznych grzebieniach częstotliwości, czyli nagrodzonej Noblem technologii stojącej za najdokładniejszymi współczesnymi optycznymi zegarami atomowymi.

Jednak – podkreślają naukowcy – ultraszybkie lasery w dużej mierze pozostawały masywnymi i kosztownymi systemami.

Zespół z EPFL, na łamach magazynu „Nature” opisał tymczasem pierwszy zintegrowany na chipie ultraszybki laser, który generuje impulsy o energii 1,05 nanojoula i czasie trwania zaledwie 147 femtosekund. Tym samym dorównuje stołowym laserom femtosekundowym.

– Przez ponad dwadzieścia lat femtosekundowy laser na chipie o wysokiej energii impulsu był powszechnie uznawany za świętego graala zintegrowanej fotoniki – mówi prof. Tobias J. Kippenberg z EPFL, autor publikacji.

– 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 – dodaje.

Badacze wyjaśniają, że układy fotoniczne prowadzą i przetwarzają światło w tworzonych na płytce półprzewodnikowej mikroskopijnych kanałach zwanych falowodami.

Przypomina to trochę pracę mikroprocesorów kierujących przepływem prądu.

Układy fotoniczne, już dziś szeroko stosowane w telekomunikacji, pozwoliły zminiaturyzować złożone funkcje, które kiedyś wymagały znacznie większych systemów – dodają eksperci.

Szwajcarski zespół wykorzystał często niedocenianą konstrukcję lasera, znaną jako oscylator Mamyszewa. Działa on tak, że 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, dzięki czemu jego część może przejść przez oba filtry i nadal krążyć w układzie. Słabe światło natomiast nie rozszerza się wystarczająco mocno i zostaje odrzucone.

Jak tłumaczą eksperci, konstrukcja ta wymaga tylko elementów, które co do zasady można wykonać na chipie.

Kolejną zaletą oscylatora Mamyszewa wymienianą przez badaczy jest to, że dobrze nadaje się do silnego ograniczania światła w układach fotonicznych. Jak wyjaśniają, gdy światło zostaje „ściśnięte” w mikroskopijnych falowodach, silnie oddziałuje samo ze sobą.

Nadmiar takich oddziaływań tymczasem może destabilizować impulsy w konwencjonalnych konstrukcjach, ale architektura Mamyszewa jest znacznie mniej na to podatna.

Na chipie – opisują specjaliści – utworzono 42-centymetrową wnękę lasera, którą można zwinąć na powierzchni wielkości główki zapałki, czyli znacznie mniejszej niż w przypadku laserów opartych na światłowodach.

Nowe fotoniczne chipy można przy tym wytwarzać metodą waflową, podobnie jak procesory, więc jednocześnie można produkować ponad tysiąc takich laserowych wnęk. Według autorów wynalazku otwiera on drogę do znacznie tańszych laserów ultraszybkich do zastosowań w detekcji, spektroskopii i metrologii.

Podsumowując stwierdzają oni, że ich technologia może doprowadzić do powstania przenośnych i niedrogich narzędzi do wykrywania zanieczyszczeń, ujawniania ukrytych defektów czy prowadzenia diagnostyki medycznej.

Urządzenie ma pozwolić także na budowę kompaktowych optycznych zegarów atomowych, które mogłyby znaleźć zastosowanie w przyszłych systemach komunikacji i nawigacji.

Marek Matacz (PAP)

mat/ agt/