Ученые впервые создали мощный сверхбыстрый лазер на чипе размером со спичечную головку

Ученые из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) совершили прорыв в области фотоники, впервые создав интегрированный сверхбыстрый лазер на чипе, который по характеристикам не уступает традиционным настольным фемтосекундным лазерам. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Сверхбыстрые лазеры, генерирующие импульсы длительностью в несколько фемтосекунд (квадриллионные доли секунды), являются ключевым инструментом в прецизионной обработке материалов, офтальмологии и оптических атомных часах. Однако до сих пор такие лазеры оставались громоздкими и дорогими системами, занимающими целые оптические столы.

Команда под руководством профессора Тобиаса Киппенберга смогла разместить лазер на фотонном чипе размером со спичечную головку. Устройство выдает импульсы энергией 1,05 наноджоуля и длительностью до 147 фемтосекунд. Для этого исследователи применили архитектуру генератора Мамышева, которая долгое время оставалась без внимания в интегрированной фотонике.

«Более двадцати лет фемтосекундный лазер с высокой энергией импульса на чипе считался святым Граалем интегральной фотоники. Наш результат показывает, что это не только возможно, но и достижимо с помощью удивительно элегантной архитектуры, которую научное сообщество упускало из виду», — отметил Киппенберг.

Длина лазерного резонатора составляет 42 сантиметра, но благодаря технологии фотонных чипов его можно разместить на площади, сопоставимой с размером спичечной головки. Поскольку такие чипы производятся методом, аналогичным созданию компьютерных микросхем, более 1000 лазерных резонаторов могут изготавливаться одновременно, что значительно снизит стоимость технологии.

«При пиковой мощности в киловатты чип может управлять сложными приложениями, которые долгое время зависели от больших и дорогих лабораторных лазеров», — пояснил соавтор исследования Чжэжу Цю.

Исследователи полагают, что технология приведет к созданию портативных и доступных устройств для обнаружения загрязнителей окружающей среды, выявления скрытых дефектов материалов и проведения медицинской диагностики. Кроме того, она может проложить путь к компактным оптическим атомным часам, которые найдут применение в будущих системах связи и навигации.