การใช้เลเซอร์ในชีวิตประจำวันกลายเป็นเรื่องปกติ และยังสามารถเป็นเครื่องมือสำคัญในการสังเกต วิเคราะห์ และวัดปริมาณสิ่งต่าง ๆ ในธรรมชาติที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า ซึ่งเป็นงานที่น่าเสียดายที่ในอดีตถูกจำกัดโดย ความจำเป็นในการใช้เครื่องมือขนาดใหญ่และมีราคาแพง
ทีมนักวิทยาศาสตร์จาก City University of New York และทีมสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนียได้สาธิตวิธีใหม่ในการผลิตเลเซอร์ประสิทธิภาพสูงและเร็วเป็นพิเศษบนชิปนาโนโฟโตนิก - พวกเขาได้สาธิตเลเซอร์ล็อคโหมดที่ปั๊มด้วยไฟฟ้าเครื่องแรกของโลกที่มีกำลังสูง พลังงานพัลส์สูงสุดที่รวมอยู่ในชิปภาพถ่ายลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง งานวิจัยนี้เพิ่งได้รับการตีพิมพ์เป็นเรื่องราวในวารสาร Science
การวิจัยนี้ใช้เลเซอร์ล็อคโหมดขนาดย่อส่วน ซึ่งปล่อยเลเซอร์พิเศษที่ปล่อยขบวนแสงพัลส์ที่ต่อเนื่องกันสั้นมากในช่วงเวลาเฟมโตวินาที หัวหน้าทีม Qiushi Guo กล่าว
เลเซอร์ที่ล็อคโหมดที่เร็วเป็นพิเศษมีบทบาทสำคัญในการไขปริศนาของมาตราส่วนเวลาที่เร็วที่สุดของธรรมชาติ ซึ่งรวมถึงการศึกษาการก่อตัวและการแตกของพันธะโมเลกุลในปฏิกิริยาเคมี และการสำรวจพลวัตของการแพร่กระจายของแสงในตัวกลางที่ปั่นป่วน
เป็นการพัฒนาของเลเซอร์ที่ล็อคโหมด เนื่องจากความเข้มสูงสุดของพัลส์ที่รวดเร็วและการครอบคลุมสเปกตรัมที่กว้าง ซึ่งยังได้กระตุ้นให้เกิดการพัฒนาเทคโนโลยีโฟโตนิกส์ที่หลากหลาย รวมถึงนาฬิกาอะตอมแบบออปติคัล การสร้างภาพทางชีวภาพ และการคำนวณข้อมูลตามแสง ในคอมพิวเตอร์
น่าเสียดายที่แม้แต่เลเซอร์แบบล็อคโหมดที่ล้ำสมัยในปัจจุบันก็ยังมีราคาแพงและใช้พลังงานสูง ซึ่งทำให้การใช้งานถูกจำกัดอยู่เพียงสภาพแวดล้อมในห้องปฏิบัติการเท่านั้น
เป้าหมายของทีมดังกล่าวข้างต้น: คือการปฏิวัติสาขาโฟโตนิกส์ที่เร็วมากด้วยการเปลี่ยนระบบห้องปฏิบัติการขนาดใหญ่ให้กลายเป็นระบบขนาดชิปที่สามารถผลิตจำนวนมากและใช้งานในภาคสนามได้ พวกเขาต้องการเพียงทำให้สิ่งต่าง ๆ เล็กลง แต่ยังต้องการให้แน่ใจว่าเลเซอร์ขนาดชิปที่เร็วเป็นพิเศษเหล่านี้ให้ประสิทธิภาพที่น่าพอใจ ตัวอย่างเช่น พวกเขาต้องการความเข้มของพัลส์สูงสุดที่เพียงพอ โดยควรมากกว่า 1 วัตต์ เพื่อสร้างระบบขนาดชิปที่มีความหมาย
อย่างไรก็ตาม การตระหนักและบูรณาการเลเซอร์ที่ล็อคโหมดอย่างมีประสิทธิภาพบนชิปถือเป็นงานที่ท้าทาย งานวิจัยนี้ใช้ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง (TFLN) ซึ่งเป็นแพลตฟอร์มวัสดุที่เป็นนวัตกรรมใหม่ การใช้วัสดุนี้ทำให้สามารถควบคุมและสร้างพัลส์เลเซอร์ได้อย่างแม่นยำและมีประสิทธิภาพโดยการเพิ่มสัญญาณไฟฟ้า RF ภายนอก
ในการทดลอง ทีมงานของ Guo ผสมผสานคุณลักษณะการรับเลเซอร์สูงของเซมิคอนดักเตอร์ III-V เข้ากับความสามารถในการสร้างพัลส์ที่มีประสิทธิภาพสูงของท่อนำคลื่นนาโนโฟโตนิก TFLN ได้อย่างลงตัว ในที่สุดก็ได้สาธิตเลเซอร์ที่มีกำลังเอาต์พุตสูงสุดที่ 0.5 วัตต์ .
นอกเหนือจากขนาดที่กะทัดรัดแล้ว เลเซอร์แบบล็อคโหมดที่พวกเขาสาธิตยังมีคุณสมบัติใหม่ที่น่าตื่นเต้นหลายประการที่อาจถือเป็นคำมั่นสัญญาที่ดีสำหรับการใช้งานในอนาคต
ตัวอย่างเช่น โดยการปรับกระแสปั๊มของเลเซอร์อย่างแม่นยำ Guo ตระหนักถึงความสามารถในการปรับแต่งความถี่การเกิดซ้ำของพัลส์เอาท์พุตในช่วงกว้าง 200 MHz ทีมงานหวังว่าจะอำนวยความสะดวกให้กับแหล่งที่มาของหวีที่มีความเสถียรของความถี่และชิปในระดับชิปซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการประยุกต์ใช้การตรวจจับที่แม่นยำ
ในขณะที่การตระหนักถึงระบบโฟโตนิกที่เร็วเป็นพิเศษที่ปรับขนาดได้ บูรณาการ สำหรับอุปกรณ์พกพาและอุปกรณ์พกพาทำให้เกิดความท้าทายเพิ่มเติมสำหรับทีมงานของ Kuo การสาธิตในปัจจุบันถือเป็นก้าวสำคัญในการเอาชนะอุปสรรคสำคัญ
ความสำเร็จนี้ปูทางไปสู่การใช้โทรศัพท์มือถือเพื่อวินิจฉัยโรคตาหรือวิเคราะห์เชื้อ E. coli และไวรัสที่เป็นอันตรายในอาหารและสิ่งแวดล้อม นอกจากนี้ยังสามารถช่วยสร้างนาฬิกาอะตอมขนาดชิปแห่งอนาคต ช่วยให้สามารถนำทางได้เมื่อ GPS เสียหายหรือใช้งานไม่ได้
นักวิทยาศาสตร์ได้เอาชนะอุปสรรคสำคัญด้วยการสาธิตครั้งล่าสุดนี้ อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์ตั้งตารอที่จะจัดการกับอุปสรรคเพิ่มเติมในการพัฒนาระบบโฟโตนิกที่เร็วเป็นพิเศษที่สามารถปรับขนาดได้ บูรณาการ ซึ่งอาจใช้กับอุปกรณ์พกพาและอุปกรณ์พกพา
