Laser sono diventati comuni nella vita di tutti i giorni, ma hanno molti usi oltre a fornire spettacoli di luci ai rave e scansionare codici a barre sui generi alimentari. I laser sono importanti anche nella ricerca sulle telecomunicazioni, sull’informatica, sulla biologia, sulla chimica e sulla fisica.
In queste ultime applicazioni, sono particolarmente utili i laser che possono emettere impulsi estremamente brevi, dell’ordine di un trilionesimo di secondo (un picosecondo) o più brevi. Utilizzando laser che operano su scale temporali così ridotte, i ricercatori possono studiare fenomeni fisici e chimici che si verificano in modo estremamente rapido, ad esempio la formazione o la rottura di legami molecolari in una reazione chimica o il movimento degli elettroni all’interno dei materiali. Questi impulsi ultracorti sono ampiamente utilizzati anche per applicazioni di imaging perché possono avere intensità di picco estremamente elevate ma una potenza media bassa, quindi evitano il riscaldamento o addirittura la combustione di campioni come i tessuti biologici.
In un documento in ScienzaCaltech Alireza Marandi, un assistente professore di ingegneria elettrica e fisica applicata, descrive un nuovo metodo sviluppato dal suo laboratorio per realizzare questo tipo di laser, noto come laser a modalità bloccata, su un chip fotonico. I laser sono realizzati utilizzando componenti su scala nanometrica (un nanometro è un miliardesimo di metro), consentendo loro di essere integrati in circuiti basati sulla luce simili ai circuiti integrati basati sull’elettricità presenti nell’elettronica moderna.
“Non siamo interessati solo a rendere i laser con modalità bloccata più compatti”, afferma Marandi. “Siamo entusiasti di realizzare un laser mode-locked dalle ottime prestazioni su un chip nanofotonico e di combinarlo con altri componenti. In quel momento potremo costruire un sistema fotonico ultraveloce completo in un circuito integrato. Ciò porterà la ricchezza della scienza e della tecnologia ultraveloce, attualmente appartenente agli esperimenti su scala metrologica, a chip su scala millimetrica”.
I laser ultraveloci di questo tipo sono così importanti per la ricerca che il Premio Nobel per la fisica di quest’anno è stato assegnato a un trio di scienziati per lo sviluppo di laser che producono impulsi ad attosecondi (un attosecondo è un quintilionesimo di secondo). Tali laser, tuttavia, sono attualmente estremamente costosi e ingombranti, afferma Marandi, il quale sottolinea che la sua ricerca sta esplorando metodi per raggiungere tali tempi su chip che possono essere ordini di grandezza più economici e più piccoli, con l’obiettivo di sviluppare tecnologie fotoniche ultraveloci accessibili e implementabili. .
“Questi esperimenti ad attosecondi vengono condotti quasi esclusivamente con laser ultraveloci con modalità bloccata”, afferma. “E alcuni di essi possono costare fino a 10 milioni di dollari, una buona parte di quel costo è rappresentata dal laser con modalità bloccata. Siamo davvero entusiasti di pensare a come possiamo replicare questi esperimenti e funzionalità nella nanofotonica”.
Al centro del laser nanofotonico mode-locked sviluppato dal laboratorio Marandi c’è il niobato di litio, un sale sintetico con proprietà ottiche ed elettriche uniche che, in questo caso, consente di controllare e modellare gli impulsi laser attraverso l’applicazione di un segnale radio esterno segnale elettrico di frequenza. Questo approccio è noto come blocco della modalità attiva con modulazione di fase intracavità.
“Circa 50 anni fa, i ricercatori hanno utilizzato la modulazione di fase intracavità in esperimenti da tavolo per realizzare laser mode-locked e hanno deciso che non era una soluzione ottimale rispetto ad altre tecniche”, afferma Qiushi Guo, il primo autore dell’articolo ed ex studioso post-dottorato. nel laboratorio di Marandi. “Ma abbiamo scoperto che si adattava perfettamente alla nostra piattaforma integrata.”
“Oltre alle sue dimensioni compatte, il nostro laser presenta anche una serie di proprietà interessanti. Ad esempio, possiamo sintonizzare con precisione la frequenza di ripetizione degli impulsi di uscita in un ampio intervallo. Possiamo sfruttare questo aspetto per sviluppare sorgenti a pettine di frequenza stabilizzate su scala chip, che sono vitali per la metrologia della frequenza e il rilevamento di precisione”, aggiunge Guo, che ora è assistente professore presso il Centro di ricerca scientifica avanzata della City University di New York.
Marandi afferma di voler continuare a migliorare questa tecnologia in modo che possa funzionare su tempi ancora più brevi e potenze di picco più elevate, con un obiettivo di 50 femtosecondi (un femtosecondo è un quadrilionesimo di secondo), che rappresenterebbe un miglioramento di 100 volte rispetto al suo obiettivo. dispositivo attuale, che genera impulsi di 4,8 picosecondi di lunghezza.
Scritto da Emily Velasco
Fonte: Caltech
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
