Švýcarští vědci zmenšili výkonný laser na čip: Otevírá cestu k revoluci v medicíně a navigaci

Vědci ze Švýcarského federálního technologického institutu v Lausanne (EPFL) dosáhli významného milníku v integrované fotonice: úspěšně integrovali ultrarychlý femtosekundový laser na fotonický čip.

Vědci ze Švýcarského federálního technologického institutu v Lausanne (EPFL) dosáhli významného milníku v integrované fotonice: úspěšně integrovali ultrarychlý femtosekundový laser na fotonický čip. Tento miniaturní laser, který se vejde na švýcarskou minci o hodnotě 1 franku, se v testech vyrovnal výkonu stolních modelů, když dokázal generovat pulzy s energií 1,05 nanojoulu a trváním pouhých 147 femtosekund.

Profesor Tobias J. Kippenberg z EPFL zdůraznil, že vysoce pulzní femtosekundový laser na čipu byl více než dvacet let považován za „svatý grál“ integrované fotoniky. Tým EPFL ukázal, že je to nejen možné, ale že to lze dosáhnout překvapivě elegantní architekturou, kterou komunita integrované fotoniky přehlédla. Místo objemného laboratorního vybavení využívá tato miniaturizovaná technologie fotonické čipy, které vedou světlo mikroskopickými vlnovody.

Klíčem k úspěchu bylo přehodnocení způsobu, jakým lasery zpracovávají světlo. Zatímco fotonické čipy vedou světlo kanály tisíckrát tenčími než lidský vlas, intenzivní laserový výkon v takto stísněném prostoru obvykle způsobuje destabilizaci a rozpad hyperrychlých pulzů. Řešení spočívalo v zapomenutém konceptu vláknového laseru starém desítky let: Mamyshevově oscilátoru. Tato konstrukce funguje jako vysoce selektivní bezpečnostní kontrola fotonů, která zachycuje světlo uvnitř laserové dutiny mezi dvěma optickými filtry naladěnými na zcela odlišná barevná spektra. Slabé, chaotické světlo neprojde, ale vysoce výkonné pulzy se v malém kanálu přirozeně rozprostřou do širokého spektra barev, což jim umožní projít oběma filtry, vrátit se a získat sílu. Tato architektura navíc prosperuje z intenzivních interakcí světla se světlem, které ničí jiné návrhy čipů.

Dopady této technologie, která dokáže složit 42 centimetrů dlouhou laserovou dráhu do mikroskopické spirály, jsou obrovské. Fotonické čipy lze masově vyrábět na křemíkových deskách podobně jako počítačové procesory, přičemž jedna výrobní série může současně vyprodukovat více než 1 000 zcela nezávislých ultrarychlých laserů. To výrazně sníží výrobní náklady, takže kilowattové špičkové výkony, které dříve stály desítky tisíc dolarů a zabíraly polovinu místnosti, by se brzy mohly objevit v cenově dostupných, ručních zařízeních.

Tato technologie má potenciál pro širokou škálu aplikací. V blízké budoucnosti by mohly environmentální týmy používat kapesní senzory k detekci mikroskopických znečišťujících látek v reálném čase. Lékaři by mohli provádět pokročilou lékařskou diagnostiku ve vzdálených vesnicích pomocí ručních nástrojů. Nakonec tyto miniaturní lasery budou pohánět kompaktní, vysoce přenosné atomové hodiny, což připraví půdu pro navigační systémy nové generace, které budou bezchybně fungovat i při úplném odpojení od satelitního GPS. Studie byla publikována v časopise Nature 3. června.