دانشمندان لیزرهای فوق سریع رومیزی را در حد سر چوب کبریت کوچک کردند

لیزرهای فوق‌سریع از مهم‌ترین ابزارهای فناوری مدرن به شمار می‌روند. این لیزرها پالس‌های نوری بسیار کوتاهی در حد چند صد فمتوثانیه تولید می‌کنند؛ بازه‌ای زمانی که هر واحد از آن تنها یک میلیون میلیاردیم ثانیه طول می‌کشد. از ساخت قطعات با دقت بالا و جراحی چشم گرفته تا تولید شانه‌های فرکانس نوری و ساعت‌های اتمی جهان، همگی به این فناوری وابسته‌اند.

لیزرهای فوق‌سریع با وجود اهمیت فراوان، معمولاً سامانه‌هایی بزرگ و گران‌قیمت هستند که فضای قابل‌توجهی از آزمایشگاه‌های پژوهشی را اشغال می‌کنند. به همین دلیل، کوچک‌سازی آن‌ها و انتقال عملکردشان به تراشه‌های فوتونیکی درطول دو دهه‌ی گذشته یکی از اهداف مهم پژوهشگران حوزه‌ی فوتونیک بوده است.

به‌گزارش سای‌تک‌دیلی، اکنون گروهی از پژوهشگران به سرپرستی توبیاس جی. کیپنبرگ از مؤسسه پلی‌تکنیک فدرال لوزان (EPFL) موفق شده‌اند به این هدف دست یابند. تیم پژوهشگران در مطالعه‌ای تازه، نخستین لیزر فوق‌سریع یکپارچه‌ای را معرفی کرده‌اند که می‌تواند عملکردی هم‌تراز با لیزرهای فمتوثانیه‌ای رومیزی ارائه دهد. این سامانه پالس‌هایی به کوتاهی ۱۴۷ فمتوثانیه با انرژی حداکثر ۱٫۰۵ نانوژول تولید می‌کند.

پژوهشگران برای غلبه بر چالش موجود از معماری نسبتاً ناشناخته‌ای به نام «نوسان‌ساز مامیشف» استفاده کردند. در این طراحی، یک موج‌بر غیرخطی میان دو فیلتر نوری قرار می‌گیرد که هرکدام بخش متفاوتی از طیف نور را عبور می‌دهند. هنگامی که یک پالس قوی از موج‌بر عبور می‌کند، طیف آن گسترده‌تر می‌شود و بخشی از نور می‌تواند از هر دو فیلتر عبور کند و در حفره لیزر به گردش ادامه دهد. در مقابل، نورهای ضعیف‌تر حذف می‌شوند و تنها پالس‌های پایدار باقی می‌مانند.

پژوهشگران می‌گویند طراحی مذکور مزیت مهم دیگری نیز دارد. در تراشه‌های فوتونیکی، نور در ابعاد بسیار کوچک متمرکز می‌شود و همین موضوع برهم‌کنش‌های غیرخطی میان امواج نوری را افزایش می‌دهد؛ پدیده‌ای که در بسیاری از طراحی‌های متداول می‌تواند باعث ناپایداری لیزر شود. اما نوسان‌ساز مامیشف نسبت به این اثرات حساسیت کمتری دارد و برای استفاده در سامانه‌های فوتونیکی یکپارچه گزینه‌ای مناسب محسوب می‌شود.

اگرچه طول حفره‌ی لیزر به ۴۲ سانتی‌متر می‌رسد، طراحی آن به گونه‌ای است که می‌توان کل سامانه را روی تراشه‌ای با مساحتی تقریباً هم‌اندازه سر چوب‌کبریت جای داد. این ابعاد در مقایسه با سامانه‌های متداول مبتنی بر فیبر نوری، کاهش چشمگیری را نشان می‌دهد.

یکی از مهم‌ترین مزیت‌های این فناوری، امکان تولید انبوه است. از آنجایی که تراشه‌های فوتونیکی با فرایندهایی مشابه ساخت تراشه‌های کامپیوتری تولید می‌شوند، پژوهشگران برآورد می‌کنند که بتوان بیش از هزار حفره لیزری را به‌طور همزمان روی یک ویفر ساخت. چنین قابلیتی می‌تواند هزینه تولید را کاهش دهد و دسترسی به فناوری لیزرهای فوق‌سریع را در کاربردهای علمی و صنعتی گسترش دهد.

به گفته‌ی تیم پژوهشی توان اوج این تراشه به محدوده کیلووات می‌رسد. تاکنون این سطح از عملکرد معمولاً به سامانه‌های بزرگ و پرهزینه آزمایشگاهی محدود بود.

در نهایت، پژوهشگران معتقدند دستاورد تازه می‌تواند در آینده به توسعه‌ی ابزارهای فشرده و مقرون‌به‌صرفه برای پایش آلاینده‌های زیست‌محیطی، شناسایی نقص‌های پنهان در مواد و انجام آزمایش‌های پزشکی کمک کند. همچنین این فناوری می‌تواند زمینه را برای ساخت ساعت‌های اتمی نوری قابل‌حمل فراهم کند؛ دستگاه‌هایی که احتمالاً نقش مهمی در نسل آینده سامانه‌های ارتباطی و ناوبری ایفا خواهند کرد.

یافته‌ها در نشریه‌ی نیچر منتشر شده است.