ساخت نخستین ابرلیزر روی ریزتراشه

به گزارش خبرگزاری علم و فناوری آنا به نقل ازاینترستینگ اینجینیرینگ، محققان دانشگاه پلی تکنیک فدرال لوزان (EPFL) نخستین لیزر یکپارچه تراشه‌ای جهان را ساخته اند که با عملکرد لیزر‌های بر پایه فیبر معمولی مطابقت دارد. این دستاورد می‌تواند به توسعه لیزر‌های کوچکتر، قابل حمل و مقرون به صرفه برای زمینه‌های مختلف کمک کند.

لیزر‌ها از زمان عرضه شان در ۱۹۶۰، نحوه کار جهان ما را تغییر داده اند و از تولید دقیق و جراحی‌های مدرن گرفته تا مخابرات و چاپ به سرعت به بخش ضروری از دنیای امروزی تبدیل شده اند.

همانطور که کاربرد‌ها افزایش می‌یابد، نیاز به توسعه لیزر‌های کوچکتری که تولید ارزان‌تر و کارکرد آسان تری داشته باشند بیشتر حس می‌شود. محققان روی کوچک کردن لیزر‌های مبتنی بر فیبر کار کرده اند که به دلیل پرتو‌های باکیفیت، توان خروجی بالا و نویز کم، الگوی اصلی بین لیزر‌ها محسوب می‌شوند.

اکنون یک گروه تحقیقاتی به سرپرستی «توبیاس کیپنبرگ» «Tobias Kippenberg» استاد فیزیک در EPFL، نوعی لیزر موج بَر دوپ شده با اِربیوم تعبیه در یک تراشه فوتونیک، ساختند که ویژگی‌های پرتویی ارائه می‌دهد که شبیه به لیزر‌های مبتنی بر فیبر است. اربیوم یک عنصر خاکی کمیاب است که به عنوان منبع نور در لیزر عمل می‌کند.

آنها برای رسیدن به این هدف از یک فرآیند ساخت پیشرفته استفاده، و شروع به ایجاد یک حفره نوری روی تراشه به طول یک متر روی مدار فوتونیکی نیترید سیلیکون کردند. حفره نوری مجموعه‌ای از آینه‌ها است که بازخورد نوری را ارائه می‌دهد. سپس یون‌های اربیوم را در مدار قرار دادند تا افزایش نیروی مورد نیاز برای لیزر را ایجاد کنند و آن را با یک پمپ نیمه رسانا برای تحریک یون‌های اربیوم، انتشار نور و تولید پرتو لیزر ادغام کردند.

کارکرد لیزر چگونه است؟

باریکی پرتو لیزر به آن اجازه می‌دهد تا نور ثابتی تولید کند که برای کاربرد‌های مختلف از LiDAR تا سنجش، ساخت ژیروسکوپ و سنجه شناسی با استفاده از فرکانس نوری ضروری است.

محققان پس از آزمایش این دستگاه تایید کردند پرتو لیزر آنها توان خروجی ۱۰ مگاوات و نسبت سرکوب جانبی بیش از ۷۰ دسیبل را دارد. این ویژگی بسیار برتر از سیستم‌های لیزری معمولی است.

زمینه‌ای که لیزر در آن عملکرد بهتری نسبت به لیزر‌های مبتنی بر فیبر داشت، قابلیت تنظیم طول موج بیش از ۴۰ نانومتر در باند‌های C و L بود. این طول موج‌ها برای کاربرد‌های مخابراتی مهم هستند و لیزر تراشه فوتونیک می‌تواند به ارائه سیستم‌های بهتر کمک کند.
این قابلیت‌ها در سیستم لیزر تراشه‌های فوتونیکی به دلیل نوآوری‌هایی مانند طراحی درون حفره ای، امکان پذیر بود، جایی که محققان از فیلتر‌های «ورنیه» برپایه میکرورینگ استفاده کردند.

مجریان این پروژه می‌گویند به لطف ادغام این تشدیدگر‌های میکرورینگ که به طور موثر، مسیر نوری را بدون بزرگ کردن فیزیکی دستگاه گسترش می‌دهند، توانستیم حفره لیزری را طوری طراحی کنیم که طول آن در مقیاس متر باشد.

این به فیلتر اجازه می‌دهد تا از فرکانس‌های نوری خاص و تنظیم پویا طول موج لیزر در طیف وسیعی استفاده کند. لیزر، نور را با یک فرکانس ثابت ساطع می‌کند در حالی که فرکانس‌های دیگر را به حداقل می‌رساند (حالت جانبی)؛ ویژگی که به آن کمک می‌کند نسبت سرکوب جانبی برتری که پیشتر ذکر شد، ارائه دهد.

به گفته محققان سوئیسی کوچک کردن چنین لیزر‌های اربیومی در دستگاه‌هایی در مقیاس تراشه نیز مفید است، زیرا هزینه‌ها را کاهش می‌دهد و ادغام آنها در کاربرد‌هایی مانند مخابرات، تشخیص پزشکی و لوازم الکترونیکی مصرفی را آسان‌تر می‌کند.

نتایج این تحقیقات در نشریه Nature Photonics منتشر شده است.