У світі технологій, де інновації відбуваються стрімко, вчені Гарвардської школи інженерії та прикладних наук імені Джона А.Полсона (SEAS) у співпраці з Віденським технологічним університетом (TU Wien) представили проривний винахід – компактний напівпровідниковий лазер, здатний миттєво і точно налаштовувати довжину хвилі випромінюваного світла. Цей винахід, немов крапля роси, що містить в собі океан можливостей, обіцяє трансформувати такі галузі, як телекомунікації, медицина і не тільки.
Що робить цей лазер особливим?
Хоча сучасні регульовані лазери – ті, що дозволяють контролювати колір (довжину хвилі) світла-вже відіграють важливу роль у передачі даних, діагностиці та виявленні витоків, вони часто змушують інженерів йти на компроміси. Широкий діапазон кольорів зазвичай призводить до втрати точності, тоді як лазери, здатні до точного налаштування, складні, дорогі та потребують механічних компонентів. Новий лазер Harvard пропонує елегантне рішення, здатне замінити безліч існуючих технологій в компактному, економічному корпусі.
Проект, витканий з наукових зусиль
Результати цієї роботи, опубліковані в престижному журналі Optica, стали результатом копіткої праці дослідницької групи під керівництвом професора прикладної фізики Роберта Л.Уоллеса Федеріко Капассо і старшого наукового співробітника з електротехніки Вінтона Хейса, а також професора Бенедикта Шварца з Віденського університету. Довгострокове співробітництво між командами Капассо і Шварца, як два потужних урагани, що зливаються в єдиний вихор інновацій, стало запорукою успіху цього проекту.
Принцип дії: танець кільцевих лазерів
В основі нового лазера лежить концепція безлічі крихітних кільцеподібних лазерів, кожен з яких має незначну різницю в розмірі і з’єднаний з єдиним хвилеводом. Кожен лазер випромінює світло з унікальною довжиною хвилі, а регулювання подачі електричного струму дозволяє лазеру плавно перемикатися між різними спектрами. Ця продумана Архітектура гарантує одночасне випромінювання тільки однієї довжини хвилі, забезпечуючи стабільність і простоту масштабування.
Як це працює?
“Регулюючи розмір кільця, ми можемо впливати практично на будь – яку потрібну нам лінію і частоту генерації», – пояснює Теодор Летсу, аспірант Массачусетського технологічного інституту і науковий співробітник лабораторії Капассо. “Все світло від кожного окремого лазера проходить через один і той же хвилевід, утворюючи єдиний промінь. Це дуже потужний інструмент, що дозволяє розширити діапазон Налаштування звичайних напівпровідникових лазерів і налаштовувати окремі довжини хвиль, використовуючи кільця різного радіусу».
Переваги нового лазера: Простота, стабільність, перспективи
“Те, що насправді радує в нашому лазері, – це простота виготовлення», – додає Йоханнес Фуксбергер, аспірант Віденського університету. »У нас немає механічних рухомих частин, а проста схема виробництва забезпечує компактність”. Унікальна конструкція також виключає проблему оптичного зворотного зв’язку, поширену серед інших типів лазерів. Завдяки односпрямованому випромінюванню, ймовірність відображення світлом відсутня, що забезпечує безперебійну роботу.
Порівняння з існуючими технологіями: новий стандарт
Сфера застосування нового лазера охоплює широкий спектр областей. Наприклад, розподілені лазери зворотного зв’язку (DFB) забезпечують рівні та точні промені, які широко використовуються у волоконно-оптичному зв’язку для передачі даних на великі відстані, але мають вузький діапазон Налаштування. З іншого боку, лазери із зовнішнім резонатором пропонують ширший діапазон, але більш складну конструкцію та рухомі частини, що призводить до стрибкоподібного руху лазерних ліній. Вони використовуються, наприклад, в газових датчиках для виявлення витоків, аналізуючи поглинання світла різними газами на різних довжинах хвиль.
Майбутнє: комерціалізація та патенти
Команда дослідників співпрацює з Гарвардським управлінням технологічного розвитку та віденським університетом з управління патентами та ліцензіями, щоб захистити інтелектуальну власність і в кінцевому підсумку комерціалізувати розвиток. Федеральне фінансування США, включаючи підтримку Міністерства оборони та Національного наукового фонду (грант № ECCS-2221715), відіграло важливу роль у реалізації цього проривного проекту. Ця розробка являє собою не просто науковий прорив, а потенційно революційну технологію, яка здатна змінити світ.
Стаття написана у співавторстві з Дмитром Казаковим і Рольфом Седлаком.
Посилання:“Continuous-wave and broadly tunable semiconductor ring lasers” by Johannes Fuchsberger, Rolf Sedlak, Dmitry Kazakov, Theodor P. Letz, Federico Capasso, and Benedikt Schwarz, 19 July 2023, Optica. DOI: 10.1364/OPTICA.559884
