Исследовательская группа из Калтеха достигла значительного прорыва в области фотоники, создав первое в мире микрочиповое устройство, способное генерировать широкий спектр частот лазерного света — от видимого диапазона до среднего инфракрасного с ультра-высокой эффективностью.
Нанофотонное устройство, описанное в статье, опубликованной 11 сентября в журнале Nature Photonics, использует оптический параметрический осциллятор на основе ниобата лития для создания так называемой учёными частотной гребёнки. Этот спектр равномерно расположенного по частоте лазероподобного света охватывает несколько октав электромагнитного спектра, требуя при этом уровень входной энергии всего в фемтоджоули. Ведущий автор Рёто Сэкинэ и профессор Алиреза Маранди из департамента электротехники и прикладной физики Калтеха разработали устройство, которое преодолевает давние трудности в создании частотных гребёнок компактными и энергоэффективными.
Революционная энергоэффективность и широкий охват
Этот прорыв является отходом от традиционных оптических параметрических генераторов, которые существуют с 1965 года, но обычно требовали громоздких настольных установок и большого энергопотребления. Команда Маранди добилась того, что ранее считалось теоретически невозможным: поддержания когерентного светового излучения при работе значительно выше порога осцилляции. По данным Калтеха, это противоречило классическим описаниям принципа работы оптических параметрических генераторов.
Устройство генерирует когерентный свет в чрезвычайно широком диапазоне — от видимых длин волн, которые способен воспринимать человеческий глаз, до более длинных длин волн среднего инфракрасного диапазона. Такой мультиоктавный охват достигается за счет тщательной инженерии дисперсии, позволяющей синхронизировать различные длины волн вместо их рассеяния, а также за счет точно спроектированной конструкции резонатора. Энергоэффективность устройства на порядки превышает существующие методы спектрального расширения.
Применение в различных отраслях
Частотные гребёнки, разработчики которых получили часть Нобелевской премии по физике в 2005 году, служат «линейками» для измерения света на различных частотах. Инновация Caltech может изменить такие области, как связь, контроль качества производства полупроводников, спектроскопия для обнаружения атомов и молекул, а также экологический мониторинг.
Эта технология решает две основные проблемы существующих источников частотных гребёнок: чрезмерно большие размеры и сложность доступа к нужным спектральным окнам. Современные системы обычно требуют размещения на лабораторном столе, но нанофотонный подход позволяет интегрировать их на чипе. Такая миниатюризация может сделать технологии частотных гребёнок практичными для использования на практике — в портативных датчиках и промышленных приложениях.
Технические инновации и влияние на будущее
Исследовательская группа обнаружила неожиданный рабочий режим, при котором увеличение мощности накачки выше порога фактически восстанавливало когерентность вместо ее разрушения, что противоречило теоретическим прогнозам. Для понимания лежащей в основе физики этой находки потребовалось шесть месяцев исследований. Работа при сверхнизком пороге, в сочетании с разработанной дисперсией и конструкцией резонатора, обеспечивает феноменальное расширение спектра, которое на порядки более энергоэффективно по сравнению с альтернативными подходами.[1][2][3]
Работа была поддержана финансированием со стороны Армейского исследовательского управления, Национального научного фонда, Управления научных исследований ВВС, DARPA и Лаборатории реактивного движения НАСА, что свидетельствует о существенном интересе правительства к потенциалу технологии и ее возможным применениям. Изготовление устройства было выполнено в Институте нанонаук Кавли Калифорнийского технологического института, что демонстрирует возможность производства подобных устройств в промышленных масштабах.
Комментариев нет:
Отправить комментарий