Tuottaa laajasti laservalon taajuuksia mikrosirulla

Laajan taajuusalueen kattava laserin kaltainen fokusoitu valo on erittäin toivottavaa monissa tieteellisissä tutkimuksissa ja monissa sovelluksissa, esimerkiksi elektroniikkasirujen valmistuksen laadunvalvonnassa.

Tällaisen laajakaistaisen ja koherentin valon luominen on kuitenkin ollut vaikeaa saavuttaa millään muulla kuin kookkailla, energiaa ahmivilla pöytälaitteilla.

Professori Alireza Marandin johtama Caltechin tiimi on nyt luonut pienen piirin, joka pystyy tuottamaan epätavallisen laajan laservalon taajuuksien alueen erittäin tehokkaasti mikrosirun avulla.

Työllä on potentiaalia eri aloilla viestinnästä ja kuvantamisesta spektroskopiaan, jossa valo auttaisi atomien ja molekyylien havaitsemisessa erilaisissa ympäristöissä.

"Osoitamme, että yhdellä nanofotonisella laitteella ja femtojoulen tasoisilla syöttöenergioilla voidaan itse asiassa kattaa laaja osa sähkömagneettisesta spektristä näkyvistä aallonpituuksista keski-infrapunaan. Tätä ei ole koskaan ennen tehty", Marandi sanoo.

Caltechin laite käyttää teknologiaa, joka on ollut olemassa vuodesta 1965: optista parametrista oskillaattoria (OPO). Pohjimmiltaan se on resonaattori, pieni suunniteltu valoloukku, joka ottaa vastaan tulevaa lasersäteilyä tulotaajuudella ja käyttää erityistä epälineaarista kidettä – litiumniobaattia – joka huolellisella suunnittelulla voi tuottaa eri taajuisia valoja.

Uuden laitteen keskeiset edistysaskeleet ovat Marandin kuvailema dispersiotekniikka – jolla muokataan, miten eri valon aallonpituudet kulkevat laitteen läpi, varmistaen, että ne pysyvät yhdessä eivätkä leviä – sekä huolellisesti suunniteltu resonaattorirakenne. Yhdessä nämä mahdollistavat laitteen tehokkaan spektrin laajentamisen ja koherenssin säilyttämisen samalla, kun se vaatii erittäin matalan kynnyksen eli energian, jolla se alkaa toimia.

Marandi kertoo, että he yllättyivät laitteen suorituskyvystä. "Käynnistimme sen ja lisäsimme tehoa, ja kun katsoimme spektriä, näimme sen olevan erittäin laaja. Olimme erityisen yllättyneitä siitä, että erittäin laaja spektri oli itse asiassa koherentti. Tämä oli vastoin oppikirjojen kuvauksia siitä, miten OPO:t toimivat", hän sanoo.

Aihetta pähkäiltyään; "Meiltä kesti ehkä kuusi kuukautta huomata, että on olemassa uusi OPO-toimintamalli, jossa se on paljon kynnysarvonsa yläpuolella ja koherenssi palautuu", Marandi sanoo. "Koska tämän OPO:n kynnysarvo on suuruusluokkaa pienempi kuin aiemmissa OPO:issa, ja dispersio ja resonaattori on suunniteltu toisin kuin aiemmissa OPO-toteutuksissa, pystyimme havaitsemaan tämän ilmiömäisen spektrin levenemisen, joka on suuruusluokkaa energiatehokkaampaa kuin muut spektrin leventävät menetelmät."

Tutkijoiden mukaan työ voisi mullistaa sen, miten pöytälaitteissa tällä hetkellä käytettävät taajuuskampoihin perustuvat teknologiat voisivat siirtyä integroituihin fotonisiin laitteisiin. Yksi vakaiden taajuuskampojen valmistuksessa käytetyistä päätekniikoista vaatii niiden spektrin merkittävää laajentamista. Tällaiseen laajentamiseen tarvittava energia on ollut yksi pullonkauloista, jotka ovat estäneet taajuuskampateknologioiden integroinnin sirulle.

Aiheesta aiemmin:

Fotonisirut valtaavat alaa

Datansiirtoa useilla valon väreillä yhdellä laserilla

Lupaava pari: pimeys ja kirkkaus