Исследователи разработали ОПГ на базе чипа, который создает стабильный, когерентный свет в широком диапазоне.
Экспериментальная установка, используемая для генерации частотной гребенки лазероподобного света.
Алиреза Маранди/Калтех
Свет, подобный лазерному, охватывающий широкий диапазон частот, является мощным инструментом для науки и промышленности. Широкополосный когерентный свет обладает преобразующим потенциалом в различных областях: от производства полупроводниковых микросхем до передовых методов визуализации и спектроскопии.
Однако до сих пор для таких источников света требовались большие, потребляющие много энергии настольные системы.
Ситуация может измениться. Группа учёных из Калифорнийского технологического института под руководством профессора электротехники и прикладной физики Алирезы Маранди разработала устройство на базе чипа, которое генерирует исключительно широкий диапазон частот лазерного излучения со сверхвысокой эффективностью.
Нанофотонное устройство может ускорить прогресс в области связи, точных измерений и даже мониторинга окружающей среды.
Гребень разных цветов
В основе этого прорыва лежит оптический параметрический генератор (ОПГ) – резонатор, преобразующий входящий лазерный свет в новые частоты с помощью нелинейного кристалла. На протяжении десятилетий ОПГ представляли собой громоздкие системы с узким диапазоном.
Команда Маранди разработала свой ОПГ на наноуровне на чипе. Результатом стал частотный гребень — спектр равномерно расположенных лазерных линий, простирающийся от видимого света до среднего инфракрасного диапазона.
«Мы демонстрируем, что с помощью одного нанофотонного устройства и низких входных энергий в диапазоне фемтоджоулей можно фактически охватить широкий диапазон электромагнитного спектра», — сказал Маранди. «Это то, чего никогда не удавалось достичь».
Частотные гребни, удостоенные Нобелевской премии по физике 2005 года, действуют как линейки для света, позволяя проводить сверхточные измерения. Однако их размер и ограниченные возможности настройки препятствовали более широкому применению.
«Наша работа предлагает путь к решению обеих этих проблем», — добавил Маранди.
Новый режим работы
Ключ к успеху кроется в технологии дисперсии и тщательно спроектированном резонаторе. Вместе они позволяют устройству расширить спектр, сохраняя при этом когерентность даже при крайне низких энергетических порогах.
Маранди признаёт, что результат оказался неожиданным. «Мы включили его, увеличили мощность, и, взглянув на спектр, увидели, что он чрезвычайно широкий», — сказал он. «Мы были особенно удивлены тем, что этот сверхширокий спектр оказался на самом деле когерентным».
Это открытие противоречило описаниям ОПГ в учебниках. Месяцы теоретических исследований и моделирования в конечном итоге выявили новый режим работы. В отличие от обычных ОПГ, это устройство восстанавливает когерентность даже при значительном превышении порогового значения.
«Поскольку порог этого ОПГ на несколько порядков ниже, чем у предыдущих ОПГ, а дисперсия и резонатор спроектированы в отличие от предыдущих реализаций, мы смогли наблюдать это феноменальное спектральное расширение», — пояснил Маранди.
Эта работа может вывести частотные гребенки за рамки специализированных лабораторий и превратить их в интегрированные фотонные устройства.
Одним из узких мест в технологии частотных гребёнок была высокая энергия, необходимая для расширения спектра. Конструкция Калифорнийского технологического института значительно снижает этот барьер.
Потенциальные области применения охватывают прецизионную спектроскопию, атомные часы и молекулярные датчики. Возможность эффективной генерации света в среднем инфракрасном диапазоне также может открыть новые горизонты в химическом и экологическом анализе.
«Это может изменить то, как технологии на основе частотных гребенок переходят от настольных установок к системам на кристалле», — сказал Маранди.
Исследование, опубликованное в журнале Nature Photonics, было поддержано Управлением исследований армии США, Национальным научным фондом (NSF), Управлением перспективных исследовательских проектов (DARPA) и Лабораторией реактивных двигателей (JPL) NASA.
Sourse: interestingengineering.com
