Микролазер для важных задач: разработан устойчивый ИК-лазер для газоанализаторов и диагностики рака

Разработка компактных источников импульсного света среднего инфракрасного диапазона долго представляла сложную техническую проблему. Но теперь физики сделали значительный шаг вперёд. Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона (SEAS) создали миниатюрный лазер, испускающий яркие и короткие импульсы в среднем инфракрасном диапазоне – ключевой области спектра, которая долго оставалась сложной для освоения. Все компоненты устройства удалось разместить на одном чипе, что прежде было достижимо лишь для более крупных и сложных фотонных систем.

Данная разработка представляет собой первый в мире пикосекундный генератор лазерных импульсов среднего инфракрасного диапазона, полностью интегрированный на чипе и функционирующий без внешних компонентов. Лазер создаёт так называемую оптическую частотную гребёнку – спектр света, состоящий из равномерно распределённых частотных линий, схожих с зубцами гребёнки. Такая гребёнка служит эталоном для измерений. Эти технологии находят применение в высокоточных измерениях, которые позволяют зафиксировать малейшие изменения в физических, химических или биологических параметрах с высокой точностью. Новый лазерный чип имеет потенциал ускорить разработку высокочувствительных датчиков для экологического мониторинга или спектроскопических инструментов нового поколения для медицины.

Ключевым элементом новой разработки стал квантово-каскадный лазер – источник когерентного среднего инфракрасного излучения, основанный на многослойных полупроводниковых наноструктурах. В отличие от обычных полупроводниковых лазеров, которые используют стандартные методы синхронизации мод для генерации световых импульсов, квантово-каскадные лазеры трудно перевести в импульсный режим из-за их очень быстрой внутренней динамики. Существующие импульсные генераторы среднего инфракрасного диапазона на базе таких лазеров обычно требуют сложной внешней схемотехники и множества отдельных компонентов, а также имеют ограничения по мощности и ширине спектра.

Новый импульсный генератор, наоборот, объединяет на одном чипе ряд концепций из нелинейной интегральной фотоники и интегральных лазеров, позволяя формировать пикосекундные световые импульсы особой формы, называемые солитонами. Создавая архитектуру чипа, исследователи вдохновлялись принципами работы керровских микрорезонаторов, устройств для управления светом. Этот метод позволил обходиться без традиционных методов, таких как синхронизация мод, для генерации импульсов. Важно и то, что устройство можно изготовить с использованием стандартных промышленных технологий производства полупроводников.

Созданный лазер показал надёжную генерацию импульсов на протяжении нескольких часов. Исследователи считают, что эта технология открывает новые перспективы в средневолновой инфракрасной спектроскопии. Возможность массового производства таких устройств на существующих промышленных мощностях может стать критическим фактором для их широкого распространения в разных сферах, включая экологический мониторинг, управление промышленными процессами, медико-биологические исследования и медицинскую диагностику.

Источник: iXBT