Các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp mới để chế tạo tia laser khóa chế độ nhỏ gọn trên chip quang tử, sử dụng lithium niobate để khóa chế độ hoạt động. Công nghệ này hứa hẹn sẽ đưa các thí nghiệm laser cực nhanh quy mô lớn sang định dạng quy mô chip, với kế hoạch rút ngắn hơn nữa thời lượng xung và tăng công suất cực đại.
Laser đã trở nên tương đối phổ biến trong cuộc sống hàng ngày, nhưng chúng còn có nhiều công dụng ngoài việc cung cấp các màn trình diễn ánh sáng tại các bữa tiệc thịnh soạn và quét mã vạch trên cửa hàng tạp hóa. Laser cũng rất quan trọng trong các lĩnh vực viễn thông, máy tính và nghiên cứu sinh học, hóa học và vật lý.
Trong ứng dụng thứ hai, tia laser có khả năng phát ra xung siêu ngắn, tức là các xung có tốc độ một phần nghìn tỷ giây (1 pico giây) trở xuống, đặc biệt hữu ích. Bằng cách sử dụng tia laser hoạt động ở quy mô thời gian nhỏ như vậy, các nhà nghiên cứu có thể nghiên cứu các hiện tượng vật lý và hóa học xảy ra cực kỳ nhanh chóng – ví dụ như sự hình thành hoặc phá vỡ liên kết phân tử trong các phản ứng hóa học hoặc chuyển động của các electron bên trong vật liệu. Các xung siêu ngắn này cũng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng chụp ảnh vì chúng có cường độ cực đại cực cao nhưng công suất trung bình thấp, do đó tránh làm nóng hoặc thậm chí đốt cháy các mẫu như mô sinh học.
Trong một bài báo đăng trên tạp chí Khoa học, Alireza Marandi, trợ lý giáo sư về kỹ thuật điện và vật lý ứng dụng tại Caltech, đã mô tả một phương pháp mới do phòng thí nghiệm của ông phát triển để tạo ra những tia laser như vậy, được gọi là tia laser khóa chế độ, trên chip quang tử. Các tia laser được chế tạo bằng cách sử dụng các thành phần có kích thước nano (một nanomet bằng một phần tỷ mét) và có thể được tích hợp vào các mạch dựa trên ánh sáng, tương tự như các mạch tích hợp dựa trên điện được tìm thấy trong các thiết bị điện tử hiện đại.
Marandi cho biết: "Chúng tôi quan tâm đến nhiều thứ hơn là chỉ chế tạo ra các tia laser khóa chế độ nhỏ gọn hơn. Chúng tôi rất vui mừng được tạo ra một loại laser khóa chế độ hoạt động tốt trên chip nano quang tử và kết hợp nó với các thành phần khác. Vào thời điểm đó, chúng tôi sẽ có thể xây dựng một hệ thống quang tử cực nhanh hoàn chỉnh trong một mạch tích hợp. Điều này sẽ mang lại sự giàu có cho khoa học và công nghệ cực nhanh hiện đang được thực hiện ở các thí nghiệm ở quy mô mét đến những con chip cỡ milimet."
Laze cực nhanh và được công nhận giải Nobel
Loại laser cực nhanh này. Laser nhanh rất quan trọng đối với nghiên cứu đến nỗi giải Nobel Vật lý năm nay đã được trao cho ba nhà khoa học vì đã phát triển loại laser có thể tạo ra xung atto giây (một atto giây) là 1/5 giây). Tuy nhiên, những tia laser như vậy hiện cực kỳ đắt tiền và cồng kềnh, và Marandi lưu ý rằng nghiên cứu của ông đang tìm cách đạt được khoảng thời gian như vậy trên những con chip có thể rẻ hơn và nhỏ hơn nhiều, với mục tiêu phát triển các công nghệ quang tử cực nhanh có thể triển khai, giá cả phải chăng.
Ông nói: "Những thí nghiệm atto giây này hầu hết đều được thực hiện bằng laser khóa chế độ cực nhanh. Một số thí nghiệm này có thể tiêu tốn tới 10 triệu USD và phần lớn trong số đó là chi phí cho laser khóa chế độ. Chúng tôi rất vui mừng khi nghĩ đến cách tái tạo các thí nghiệm và khả năng này trong quang tử nano."
Trọng tâm của laser khóa chế độ nanophotonic được phát triển trong phòng thí nghiệm của Marandi là lithium niobate, một loại muối tổng hợp có đặc tính điện và quang độc đáo cho phép điều khiển và định hình xung laser bằng cách ứng dụng các tín hiệu điện tần số vô tuyến bên ngoài. Cách tiếp cận này được gọi là khóa chế độ hoạt động điều chế pha nội bộ.
"Khoảng 50 năm trước, các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp điều chế pha nội khoang để tạo ra tia laser bị khóa chế độ trong các thí nghiệm trên máy tính để bàn và tin rằng phương pháp này không phù hợp lắm so với các công nghệ khác", Guo Qiushi (phiên âm), tác giả đầu tiên của bài báo và là cựu tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của Marandi, cho biết. "Nhưng chúng tôi nhận thấy nó hoàn toàn phù hợp với nền tảng tích hợp của chúng tôi."
"Ngoài kích thước nhỏ, tia laser của chúng tôi còn thể hiện một loạt đặc tính hấp dẫn. Ví dụ: chúng tôi có thể điều chỉnh chính xác tốc độ lặp lại của các xung đầu ra trên một phạm vi rộng. Chúng tôi có thể khai thác điều này để phát triển các nguồn lược tần số ổn định ở quy mô chip, vốn rất quan trọng đối với đo tần số và cảm biến chính xác", Guo, hiện là trợ lý giáo sư tại Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Tiên tiến tại Đại học Thành phố New York, cho biết thêm.
Mục tiêu trong tương lai và tác động của nghiên cứu
Marandi cho biết mục tiêu của ông là tiếp tục cải tiến công nghệ để nó có thể hoạt động ở quy mô thời gian ngắn hơn và ở công suất đỉnh cao hơn, với mục tiêu đạt tới 50 femto giây (một femto giây là một phần nghìn tỷ của một giây), sẽ là một cải tiến gấp 100 lần so với thiết bị hiện tại của ông, vốn tạo ra các xung có độ dài 4,8 pico giây.
Bài báo giới thiệu nghiên cứu có tiêu đề "Laser khóa chế độ cực nhanh trong Nanophotonic Lithium Niobate" và được đăng trên tạp chí Science ngày 9 tháng 11.