EPFL (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne) tyrėjai sukūrė lusto dydžio itin greitą lazerį, kuris veikia taip pat gerai, kaip ir tradiciniai staliniai femtosekundiniai lazeriai. Ši inovacija galėtų padaryti pažangias lazerių technologijas daug mažesnes, pigesnes ir prieinamesnes įvairioms reikmėms – nuo medicininės diagnostikos iki atominių laikrodžių.
EPFL lusto pagrindu sukurtas itin greitas lazeris veikia laboratorinių bandymų aplinkoje.. Nuotrauka: Zheru Qiu/EPFL
Dešimtmečius itin greiti lazeriai buvo vieni galingiausių šiuolaikinės optikos įrankių. Jų impulsai trunka vos kelis šimtus femtosekundžių arba kvadrilijonines sekundės dalis, todėl atsiranda technologijų, pradedant tiksliąja gamyba ir akių chirurgija, baigiant optinėmis dažnių šukomis – Nobelio premiją pelniusia inovacija, kuri veikia tiksliausiuose pasaulyje optiniuose atominiuose laikrodžiuose.
Nepaisant jų svarbos, šie lazeriai iš esmės liko didelėmis, brangiomis sistemomis, užimančiomis ištisus optinius stalus.
Dabar EPFL profesoriaus Tobiaso J. Kippenbergo vadovaujami tyrėjai pasiekė proveržį, kuris gali smarkiai sumažinti technologijos gabaritus. Žurnale „Nature“ tyrėjų komanda praneša apie pirmąjį integruotą itin greitą lazerį, galintį prilygti tradicinių stalinių femtosekundinių lazerių našumui. Įrenginys iš fotoninio lusto tiekia 1,05 nanodžaulių impulsų energiją ir vos 147 femtosekundžių impulsų trukmę.
Itin greitų lazerių pritaikymas fotoniniuose lustuose
Fotoniniai lustai manipuliuoja šviesa naudodami mikroskopines struktūras, vadinamas bangolaidžiais, kurios yra išgraviruotos plokštelėje. Panašiai kaip elektroniniai lustai nukreipia elektrinius signalus, fotoniniai lustai nukreipia ir apdoroja šviesą.
Šie lustai jau plačiai naudojami telekomunikacijose ir padėjo miniatiūrizuoti daugelį optinių technologijų, kurioms anksčiau reikėjo daug didesnės įrangos.
„Daugiau nei dvidešimt metų didelės impulsinės energijos femtosekundinis lazeris luste buvo plačiai laikomas integruotos fotonikos šventuoju graliu“, – sako Kippenbergas. „Mūsų rezultatas rodo, kad tai ne tik įmanoma, bet ir galima pasiekti naudojant stebėtinai elegantišką architektūrą, kurios integruotos fotonikos bendruomenė nepastebėjo.“
Nepaisytas lazerio dizainas duoda rezultatų
Norėdami pasiekti šį žygdarbį, tyrėjai pritaikė lazerio architektūrą, žinomą kaip Mamyševo osciliatorius, – konstrukciją, kuri integruotoje fotonikoje sulaukė palyginti mažai dėmesio.
Sistema turi netiesinį bangolaidį tarp dviejų optinių filtrų, kurių kiekvienas praleidžia skirtingą šviesos spektro dalį. Intensyviam lazerio impulsui sklindant per bangolaidį, jis išsiplečia į platesnį spalvų diapazoną. Dalis šio išplėsto impulso gali praeiti pro abu filtrus ir toliau cirkuliuoti lazerio rezonatoriuje.
Silpnesnė šviesa elgiasi kitaip. Kadangi ji nepakankamai išsiplečia, ją blokuoja filtrai ir pašalina iš ciklo.
„Ši konstrukcija ypač patraukli, nes jai nereikia jokių komponentų, kuriuos sunku pagaminti šiame erbiu legiruotame silicio nitrido luste“, – aiškina Zheru Qiu, vienas iš straipsnio autorių.
Pasak Qiu, ši konstrukcija suteikia dar vieną didelį pranašumą. Fotoniniai lustai apriboja šviesą itin mažuose bangolaidžiuose, todėl šviesa stipriai sąveikauja su savimi. Daugelyje lazerių architektūrų šie netiesiniai efektai gali destabilizuoti lazerio impulsus. Tačiau Mamyševo osciliatorius yra daug mažiau jautrus šioms problemoms, todėl jis ypač tinka integruotiems fotoniniams įrenginiams.
Mažas įrenginys, didelis potencialas
Lazerio ertmė yra 42 centimetrų ilgio, tačiau ją galima sulankstyti ant lusto, užimančio maždaug degtuko galvutės plotą. Dėl to ji yra žymiai mažesnė nei įprastiniai itin greiti šviesolaidžių pagrindu pagaminti lazeriai.
Kadangi fotoninius lustus galima gaminti pramoniniu mastu, naudojant metodus, panašius į tuos, kurie naudojami kompiuterių lustams, vienu metu galima pagaminti daugiau nei 1000 lazerio ertmių. Šis gamybos pranašumas galėtų gerokai sumažinti itin greitų lazerių kainą ir kartu išplėsti jų prieinamumą jutiklių, spektroskopijos ir tiksliųjų matavimų taikymams.
„Turėdamas kilovatų lygio maksimalią galią, lustas gali valdyti sudėtingas sistemas, kurios ilgą laiką priklausė nuo didelių, brangių laboratorinių lazerių“, – sako Qiu.
Tyrėjai mano, kad ši technologija galiausiai galėtų padėti sukurti nešiojamus ir įperkamus prietaisus, skirtus aplinkos teršalams aptikti, paslėptiems medžiagų defektams nustatyti ir medicininei diagnostikai atlikti. Tai taip pat galėtų padėti nutiesti kelią kompaktiškiems optiniams atominiams laikrodžiams, kurie gali atlikti svarbų vaidmenį ateities ryšių ir navigacijos sistemose.
Darbe dalyvavo EPFL Elektros ir mikroinžinerijos instituto bei Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) tyrėjai.
Zheru Qiu, Xuan Yang, Xurong Li, Jianqi Hu, Zhongshu Liu, Yichi Zhang, Xinru Ji, Jiale Sun, Grigory Lihachev, Zihan Li, Ulrich Kentsch, Tobias J. Kippenberg. High-pulse-energy integrated mode-locked laser using a Mamyshev oscillator. Nature, 2026; 654 (8117): 57 DOI: 10.1038/s41586-026-10517-4
Naujas lustas leidžia robotams matyti 4D formatu, vienu metu stebint atstumą ir greitį
Aurimas Žlibinas. Šviesolaidžio kabeliais matuojamas šalies ekonomikos pulsas
Lietuvių sukurtas lazeris – puslaidininkių pramonei ir biomedicinos tyrimams