Фокусировка лазерного излучения, охватывающего широкий диапазон частот, крайне желательна для многих научных исследований и приложений, например, для контроля качества производства полупроводниковых электронных чипов. Однако создание такого широкополосного и когерентного света было сложной задачей, которую удавалось решить только с помощью громоздких и энергоёмких настольных устройств.
Теперь команда Калифорнийского технологического института (Caltech) под руководством Алирезы Мара́нди, профессора электротехники и прикладной физики в Калтехе, создала крошечное устройство, способное производить необычайно широкий диапазон частот лазерного излучения со сверхвысокой эффективностью — и всё это на микрочипе. Эта работа может найти применение в различных областях: от связи и визуализации до спектроскопии, где свет будет способствовать обнаружению атомов и молекул в различных условиях.
Исследователи описывают новое нанофотонное устройство и подход в статье, опубликованной в журнале Nature Photonics. Ведущий автор статьи «Многооктавная частотная гребенка от ультранизкопорогового нанофотонного параметрического генератора» — Риото Секине (доктор философии), который выполнил работу, будучи аспирантом в лаборатории Мара́нди.
«Мы демонстрируем, что с помощью одного нанофотонного устройства и низкой входной энергии в фемтоджоулевом диапазоне можно охватить широкий участок электромагнитного спектра — от видимого диапазона до среднего инфракрасного. Этого никогда раньше не удавалось сделать», — говорит Мара́нди.
Устройство Caltech использует технологию, известную с 1965 года: оптический параметрический генератор (OPO). По сути, OPO — это резонатор, крошечная искусственная ловушка для света, которая принимает входящий лазерный свет на входной частоте и использует специальный нелинейный кристалл — в данном случае ниобат лития, — который при тщательном проектировании может генерировать свет разных частот.
Обычно OPO используются в качестве лазерных источников с широко перестраиваемыми или регулируемыми выходными частотами. Однако в этой работе Мара́нди и его коллеги спроектировали свой OPO на наноуровне на чипе для генерации так называемой частотной гребёнки — спектра равномерно распределённого лазерного излучения в широком диапазоне частот с очень малой входной энергией.
Частотная гребёнка охватывает удивительно широкий спектральный диапазон, обеспечивая резкие, стабильные линии от видимого света до более длинных волн среднего инфракрасного диапазона.
Два учёных разделили Нобелевскую премию по физике 2005 года за разработку метода частотной гребёнки. В отличие от обычных лазеров, которые излучают свет одного цвета, частотные гребёнки действуют как линейка для света в диапазоне частот. Эти гребёнки использовались для повышения точности атомных часов и измерений, сделанных с помощью света, а также для мониторинга окружающей среды.
Однако, по словам Мара́нди, у частотных гребёнок было две основные проблемы: во-первых, источники были слишком большими, а во-вторых, было сложно создавать их в различных желаемых спектральных окнах. «Наша работа предлагает путь к решению обеих этих проблем», — говорит он.
Ключевые достижения нового устройства — это то, что Мара́нди описывает как инженерное проектирование дисперсии — формирование того, как разные длины волн света проходят через устройство, обеспечивая их совместное движение, а не распространение, — и тщательно разработанная структура резонатора. Вместе они позволяют устройству эффективно расширять спектр и поддерживать когерентность, требуя при этом чрезвычайно низкого порога, или энергии, при которой оно начинает работать.
Мара́нди говорит, что он и его команда были удивлены производительностью устройства. «Мы включили его и увеличили мощность, а когда посмотрели на спектр, то увидели, что он чрезвычайно широк. Мы были особенно удивлены тем, что суперширокий спектр был фактически когерентным. Это противоречило описаниям в учебниках о том, как работают OPO», — говорит он.
Исследователи вернулись к своим симуляциям и теории, чтобы попытаться выяснить, как это возможно. В симуляциях повышение энергии входящего света выше порога приводило к тому, что спектр становился некогерентным — то есть с различными длинами волн и не синхронизированными по фазе, что означает отсутствие генерации частотной гребёнки. Но в лаборатории спектр был когерентным при работе на уровне выше порога.
«Нам потребовалось около шести месяцев, чтобы обнаружить, что существует новый режим работы OPO, в котором OPO работает значительно выше своего порога, и когерентность восстанавливается», — говорит Мара́нди.
«Поскольку порог этого OPO на порядки ниже, чем у предыдущих OPO, а дисперсия и резонатор спроектированы не так, как в предыдущих реализациях OPO, мы могли наблюдать это феноменальное спектральное расширение, которое на порядки более энергоэффективно, чем другие схемы спектрального расширения», — говорят исследователи.
Они утверждают, что их работа может изменить представление о том, как технологии на основе частотных гребёнок, которые в настоящее время используются в настольных установках, могут перейти к интегрированным фотонным устройствам.
Исследователи говорят, что их работа может изменить представление о том, как технологии на основе частотных гребёнок, которые в настоящее время используются в настольных установках, могут перейти к интегрированным фотонным устройствам. Один из основных методов, используемых для создания стабильных частотных гребёнок, требует значительного расширения их спектра. Энергия, необходимая для такого расширения, была одним из узких мест, препятствующих интеграции технологий частотных гребёнок на чипе.
Помимо этого, основная часть фотонных технологий, включая большинство хорошо разработанных лазеров и детекторов, используемых для измерения молекул, работает в ближнем инфракрасном или видимом диапазоне. OPO, которые запускаются с лазеров ближнего инфракрасного диапазона в качестве входной частоты, а затем эффективно преобразуют свет, выводя когерентный свет в диапазоне среднего инфракрасного излучения, могут позволить исследователям, например, работающим со спектроскопией, получить доступ к большому объёму информации на более низких частотах.
Источник: California Institute of Technology.