L’équipe Photonics développe des lasers ultrarapides hautes performances qui s’adaptent au bout du doigt

Les lasers sont des outils essentiels pour observer, détecter et mesurer des éléments du monde naturel que nous ne pouvons pas voir à l’œil nu. Mais la capacité d’accomplir ces tâches est souvent limitée par la nécessité d’utiliser des instruments coûteux et volumineux.

Dans un article de couverture récemment publié dans la revue Science, le chercheur Qiushi Guo démontre une nouvelle approche pour créer des lasers ultrarapides hautes performances sur des puces nanophotoniques. Son travail se concentre sur la miniaturisation des lasers à verrouillage de mode, un laser unique qui émet un train d’impulsions lumineuses ultracourtes et cohérentes à intervalles femtosecondes, ce qui représente un étonnant quadrillionième de seconde.

Les lasers ultrarapides à mode verrouillé sont indispensables pour percer les secrets des échelles de temps les plus rapides de la nature, comme la création ou la rupture de liaisons moléculaires lors de réactions chimiques ou la propagation de la lumière dans un milieu turbulent. La vitesse élevée, l’intensité maximale des impulsions et la couverture à large spectre des lasers à mode verrouillé ont également permis de nombreuses technologies photoniques, notamment les horloges atomiques optiques, l’imagerie biologique et les ordinateurs qui utilisent la lumière pour calculer et traiter les données.

Malheureusement, les lasers à mode verrouillé de pointe sont actuellement des systèmes de table coûteux et exigeants en énergie, limités à une utilisation en laboratoire.

“Notre objectif est de révolutionner le domaine de la photonique ultrarapide en transformant les grands systèmes de laboratoire en systèmes de la taille d’une puce qui peuvent être produits en masse et déployés sur le terrain”, a déclaré Guo, membre du corps professoral de l’initiative photonique du CUNY Advance Science Research Center et chercheur. professeur de physique au CUNY Graduate Center.

“Non seulement nous voulons rendre les choses plus petites, mais nous voulons également nous assurer que ces lasers ultrarapides de la taille d’une puce offrent des performances satisfaisantes. Par exemple, nous avons besoin d’une intensité de crête d’impulsion suffisante, de préférence supérieure à 1 watt, pour créer une échelle de puce significative. systèmes.”

Réaliser un laser à mode verrouillé efficace sur une puce n’est cependant pas un processus simple. Les recherches de Guo exploitent une plate-forme de matériaux émergents connue sous le nom de niobate de lithium en couches minces (TFLN). Ce matériau permet une mise en forme très efficace et un contrôle précis des impulsions laser en appliquant un signal électrique radiofréquence externe.

Dans leurs expériences, l’équipe de Guo a combiné de manière unique le gain laser élevé des semi-conducteurs III-V et la capacité efficace de mise en forme des impulsions des guides d’ondes photoniques nanométriques TFLN pour démontrer un laser capable d’émettre une puissance de crête de sortie élevée de 0,5 watt.

Au-delà de sa taille compacte, le laser à mode verrouillé présenté présente également de nombreuses propriétés intrigantes qui sont hors de portée des lasers conventionnels, offrant de profondes implications pour les applications futures. Par exemple, en ajustant le courant de pompe du laser, Guo a pu régler avec précision les fréquences de répétition des impulsions dans une très large plage de 200 MHz. En utilisant la forte reconfigurabilité du laser démontré, l’équipe de recherche espère activer des sources en peigne à fréquence stabilisée à l’échelle d’une puce, qui sont essentielles à la détection de précision.

L’équipe de Guo devra relever des défis supplémentaires pour réaliser des systèmes photoniques évolutifs, intégrés et ultrarapides pouvant être traduits pour être utilisés dans des appareils portables et portatifs, mais son laboratoire a surmonté un obstacle majeur avec cette démonstration actuelle.

“Cette réussite ouvre la voie à l’utilisation future des téléphones portables pour diagnostiquer les maladies oculaires ou pour analyser les aliments et l’environnement à la recherche de choses comme E. coli et de virus dangereux”, a déclaré Guo. “Cela pourrait également permettre la création d’horloges atomiques futuristes à l’échelle d’une puce, qui permettraient la navigation lorsque le GPS est compromis ou indisponible.”