Progresso nella tecnologia laser: miniaturizzazione su chip nanofotonici
Progresso nella tecnologia laser: miniaturizzazione su chip nanofotoniciUn significativo progresso nella tecnologia laser è stato raggiunto grazie alla miniaturizzazione di laser ultra-veloci su chip nanofotonici, utilizzando niobato di litio a film sottile. Questo sviluppo apre la strada a laser compatti ed efficienti con ampie applicazioni in imaging, rilevamento e tecnologia portatile.
Questo avanzamento permetterà la realizzazione di dispositivi tascabili in grado di eseguire navigazione di precisione senza GPS, imaging medico, ispezione della sicurezza alimentare e molto altro.
I laser sono strumenti essenziali per osservare, rilevare e misurare cose nel mondo naturale che non possiamo vedere a occhio nudo. Tuttavia, la capacità di svolgere queste attività è spesso limitata dalla necessità di utilizzare strumenti costosi e di grandi dimensioni.
Innovazioni nella tecnologia laser ultra-veloce
In un articolo recentemente pubblicato sulla rivista Science, il ricercatore Qiushi Guo presenta un approccio innovativo per la creazione di laser ultra-veloci ad alte prestazioni su chip nanofotonici. Il suo lavoro si concentra sulla miniaturizzazione dei laser a blocco di modalità, un tipo particolare di laser che emette una serie di impulsi di luce coerenti ultra-brevi a intervalli di femtosecondi, un quadrilionesimo di secondo.
Sbloccare i tempi più rapidi della natura
I laser ultra-veloci a blocco di modalità sono indispensabili per svelare i segreti dei tempi più rapidi in natura, come la formazione o la rottura di legami molecolari durante le reazioni chimiche, o la propagazione della luce in un mezzo turbolento. L’alta velocità, l’intensità di picco dell’impulso e la copertura dello spettro ampio dei laser a blocco di modalità hanno anche permesso numerose tecnologie fotoniche, tra cui orologi atomici ottici, imaging biologico e computer che utilizzano la luce per calcolare e elaborare dati.
Purtroppo, i laser a blocco di modalità attuali sono costosi, richiedono molta energia e sono limitati all’uso in laboratorio.
Verso una fotonica più piccola ed efficiente
“Vogliamo rivoluzionare il campo della fotonica ultra-veloce trasformando i grandi sistemi basati su laboratorio in sistemi su chip che possono essere prodotti in serie e distribuiti sul campo”, ha dichiarato Guo, membro del CUNY Advance Science Research Center’s Photonics Initiative e professore di fisica presso il CUNY Graduate Center.
“Non solo vogliamo rendere le cose più piccole, ma vogliamo anche garantire che questi laser ultra-veloci su chip offrano prestazioni soddisfacenti. Ad esempio, abbiamo bisogno di un’intensità di picco dell’impulso sufficiente, preferibilmente oltre 1 Watt, per creare sistemi su chip significativi.”
La sfida della miniaturizzazione
Realizzare un laser a blocco di modalità efficace su un chip non è un processo semplice. La ricerca di Guo sfrutta una piattaforma materiale emergente conosciuta come niobato di litio a film sottile (TFLN). Questo materiale permette una modellazione molto efficiente e un controllo preciso degli impulsi laser applicando un segnale elettrico a radiofrequenza esterno.
Nel loro esperimento, il team di Guo ha combinato l’alto guadagno laser dei semiconduttori III-V e la capacità di modellazione degli impulsi efficiente dei guide d’onda fotoniche nanometriche TFLN per dimostrare un laser in grado di emettere una potenza di picco di uscita elevata di 0,5 Watt.
Implicazioni e sfide future
Oltre alle sue dimensioni compatte, il laser a blocco di modalità dimostrato presenta molte proprietà interessanti che vanno oltre quelle raggiungibili dai laser convenzionali, offrendo profonde implicazioni per le future applicazioni. Ad esempio, regolando la corrente di pompaggio del laser, Guo è stato in grado di sintonizzare con precisione le frequenze di ripetizione degli impulsi in un intervallo molto ampio di 200 MHz. Sfruttando la forte riconfigurabilità del laser dimostrato, il team di ricerca spera di abilitare sorgenti di pettine stabilizzate in frequenza su scala di chip, che sono vitali per il rilevamento di precisione.
Il team di Guo dovrà affrontare ulteriori sfide per realizzare sistemi fotonici ultra-veloci integrati e scalabili che possano essere tradotti per l’uso in dispositivi portatili e palmari, ma con questa dimostrazione attuale il suo laboratorio ha superato un ostacolo importante.
Potenziali applicazioni nel mondo reale
“Questo risultato apre la strada all’uso di telefoni cellulari per diagnosticare malattie oculari o analizzare cibo e ambienti alla ricerca di cose come E. coli e virus pericolosi”, ha detto Guo. “Potrebbe anche abilitare futuri orologi atomici su scala di chip, che permettono la navigazione quando il GPS è compromesso o non disponibile.”
Riferimento: “Ultrafast mode-locked laser in nanophotonic lithium niobate” di Qiushi Guo, Benjamin K. Gutierrez, Ryoto Sekine, Robert M. Gray, James A. Williams, Luis Ledezma, Luis Costa, Arkadev Roy, Selina Zhou, Mingchen Liu e Alireza Marandi, 9 novembre 2023, Science.
DOI: 10.1126/science.adj5438