Neseniai Qiu-Shi Guo iš Niujorko miesto universiteto ir Alireza Marandi iš Kalifornijos technologijos instituto komanda žurnale Science paskelbė straipsnį „Ultrafast mode-locked laser in nanophotonic lithium niobate“. „Komanda sumaniai sujungė didelį III-V puslaidininkių lazerinį stiprinimą su puikiomis plonasluoksnio ličio niobato elektrooptinėmis savybėmis ir hibridinės integracijos būdu pagamino elektra pumpuojamą režimo blokuotą lazerį, turintį didelę didžiausią impulsų galią. 10 GHz dažnis netoli 1065 nm, optinio impulso plotis 4,8 ps, impulso energija didesnė nei 5 pJ ir didžiausia galia didesnė nei 0,5 pJ. pJ ir didžiausia galia didesnė nei 0,5 W. Be to, jo lazerio išėjimo impulsų energija ir didžiausia galia pasiekė aukščiausią nanofotonikos platformos lazerių su režimu užrakinimo lygį.
Ličio niobato kristalinė medžiaga yra reta dirbtinė kristalinė medžiaga, kuri apjungia pjezoelektrinius, elektrooptinius, akusto-optinius, fotoelastinius, netiesinius, fotorefrakcinius ir lazeriu aktyvius efektus ir kt. Kartu su stabilių mechaninių savybių, lengvo apdorojimo, atsparumo aukštai temperatūrai privalumais. , atsparumas korozijai, gausūs žaliavų šaltiniai, maža kaina ir lengvai išauginami į didelius kristalus, ypač po to, kai naudojami įvairūs priedai gali parodyti įvairių ypatingų savybių, tai yra išsamiausios ir išsamiausios fotoninės savybės, kurios iki šiol buvo atrastos . Tai kristalas, turintis daugiausiai fotoninių savybių ir geriausius išsamius indeksus, kuriuos iki šiol atrado žmonės, ir turintis labai plačią taikymo rinkoje perspektyvą. Todėl ji taip pat žinoma kaip „optinio silicio“ medžiaga fotoninėje eroje ir yra plačiai naudojama didelio našumo filtruose, elektrooptiniuose įrenginiuose, holografinėje saugykloje, 3D holografiniuose ekranuose, netiesiniuose optiniuose įrenginiuose ir optiniame kvantiniame ryšyje.
Režimo blokuoti lazeriai gali generuoti intensyvius, nuoseklius, itin trumpus optinius impulsus pikosekundės ir femtosekundės laiko skalėmis, todėl gali realizuoti pritaikymą tokiose pažangiausiose srityse kaip ekstremali netiesinė optika, optiniai atominiai laikrodžiai, optinio dažnio šukos, biologinis vaizdavimas, ir fotoniniai skaičiavimai. Tačiau dabartinių įprastinių režimu blokuotų lazerių trūkumai yra didelė kaina, didelės energijos sąnaudos ir didelis dydis, o tikimasi, kad režimu blokuoti lazeriai, pagrįsti nevienalyčia III-V puslaidininkių integracija su ličio niobato nanofotoninėmis platformomis, pasieks didesnę išėjimo galią. ir didesnis suderinamumas, todėl susijusios technologijos sulaukė didelio tyrėjų dėmesio.
Siekdama technologinės kliūties blokuojamų režimų lazerių srityje, tyrėjų komanda peržengė tradicinių režimu blokuojamų lazerių dydžio apribojimą, integruodama III-V stiprinimo terpę ir ličio niobato fazės moduliatorių, ir realizavo režimu blokuojamus lazerius. pasižymi puikiomis savybėmis, tuo pačiu sumažinant dydį iki lusto lygio.
Režimo blokavimo lazerius galima suskirstyti į du mechanizmus: pasyvaus režimo užrakinimo ir aktyvaus režimo blokavimo. Kaip parodyta paveikslėlyje (A), norėdami realizuoti aktyvų lazerio režimo fiksavimą, autoriai pridėjo elektrooptinį fazės moduliatorių, pagrįstą plonasluoksniu ličio niobatu, lazerio rezonansinės ertmės viduje; Kadangi ličio niobato lūžio rodiklis periodiškai keičiasi veikiant elektrooptiniam efektui, dėl kurio optiniai impulsai neišlaiko pastovios būsenos ertmėje, tyrėjų komanda taip pat sukūrė gerą fazės moduliacijos laikotarpio ir apvalios optinių impulsų išjungimo laikas ertmės viduje ir panaudotas dispersijos poslinkis, kad būtų pasiektas geras suderinimas su fazės moduliacijos laiko periodu. Todėl tyrimas taip pat buvo skirtas gerai suderinti fazės moduliacijos laikotarpį ir optinio impulso ertmėje trukmę ir naudoti dispersiją, kad kompensuotų susikaupusį čirškimą ir kompensuotų optinio impulso nuostolius, remiantis lazerio stiprinimas ir galiausiai realizuojamas fazės fiksavimas, kaip parodyta šiuose paveikslėliuose (BC); realizuoto integruoto ličio niobato režimu užrakinto mikroschemos lazerio schema parodyta sekančiame paveikslėlyje (D).
Paveikslėlis
Integruoto ličio niobato režimu užrakinto mikroschemos lazerio veikimo principas ir įrenginio schema.
Anot tyrėjų komandos, dėl savo didelės didžiausios išėjimo galios ir tikslaus dažnio valdymo galimybės režimu užrakintas lazeris turėtų sukurti itin sparčią netiesinę optinę sistemą su visa lusto integracija, taip įgyvendinant optinio dažnio šukas, superkontinuumo šviesos šaltinius ir atominius. laikrodžiai su pilno dažnio užraktu. Tai labai palengvins optinių ryšių, medicininio vaizdo gavimo, precizinio matavimo, skaičiavimo ir kitų sričių plėtrą. „Ilgainiui lusto režimu užrakintas lazeris gali turėti nepakeičiamų pritaikymų nuoseklaus ryšio, tikslaus laiko nustatymo ir tikslumo matavimo srityse.
Vaizdas.
Dabartiniai integruoto aktyvaus režimo užrakinto lazerio derinimo analizės rezultatai
Be to, įprastiniai kietojo kūno ir skaidulinio režimo lazeriai, pagrįsti aktyvaus režimo fiksavimo mechanizmais, gali pasiekti režimo blokavimą tik ribotame išorinių moduliavimo dažnių diapazone, o kai išorinis moduliacijos dažnis viršija atitinkamą diapazoną, lazerio išvestis optinė. impulsas praras fiksuotos fazės ryšį (ty praras darną). Kaip parodyta aukščiau esančiame paveikslėlyje, palyginti su įprastais aktyvaus režimo užraktais lazeriais, šiame tyrime realizuotas integruotas ličio niobato lusto režimu užrakintas lazeris turi didelį derinamą impulsų pasikartojimo dažnio diapazoną ir gali generuoti koherentinius optinius impulsus. 200 MHz moduliacijos dažnių diapazonas. Be to, pulsinio lazerio nešiklio dažnis ir impulsų pasikartojimo dažnis gali būti žymiai pakeisti reguliuojant siurblio srovę arba lazerio moduliacijos dažnį. Tai reiškia, kad režimu užrakintas lazeris gali būti valdomas įvairiais būdais. Tiksliai kontroliuojant lazerio siurblio srovę arba moduliacijos dažnį, galima tiksliai valdyti lazerio impulsų pasikartojimo dažnį ir nešlio dažnį, taip sukuriant optinio dažnio šukas, kurios gali tiksliai valdyti dažnį, o tai yra labai svarbu tiksliam dažniui. matavimas.
Įprasti puslaidininkinio režimo lazeriai paprastai integruoja stiprinimo sritį ir prisotintą absorberį (režimo blokuotą elementą) tame pačiame puslaidininkiniame luste. Dėl sudėtingos tribo-penkių puslaidininkių nešiklio dinamikos lazeris gali generuoti tik labai trumpus impulsus labai siaurai valdomoje siurblio srovės veikimo srityje, o tai nėra palanki didelės galios lazerio išvesties realizavimui. Tačiau šis tyrimas visiškai atskleidžia didelės tribo-penkių puslaidininkių išvesties galimybes, naudojant plonasluoksnį ličio niobatą kaip aktyvų režimo fiksavimo elementą.
Remdamasi puikiomis plonasluoksnio ličio niobato savybėmis, komanda pasiekė daugybę rezultatų plonasluoksnio ličio niobato, integruotos optikos ir netiesinės optikos srityse. Pavyzdžiui, antros eilės netiesinis plonasluoksnės ličio niobato nanofotonikos optinis efektas buvo panaudotas norint parodyti greičiausią (46 femtosekundės), itin mažos energijos (80 femtokinetinį) optinį perjungimą integruotoje optikos platformoje. Plonos plėvelės ličio niobato platformoje mes taip pat sukūrėme optinį parametrinį stiprintuvą, turintį labai didelį stiprinimą (100 dB/cm) ir labai didelį stiprinimo dažnių juostos plotį (600 nm), platų pagal dažnį reguliuojamą optinį parametrinį osciliatorių ir iki šiol didžiausias kvantinis suspaudimas (4,9 dB) integruotos optikos srityje.
Ianas S. Osborne'as, „Science“ redaktorius, gyrė tyrimą: „Režimo fiksavimo lazeriai yra pažangiausia technologija itin greito mokslo srityje, leidžianti sukurti dažnio šukas su itin trumpais koherentiniais optiniais impulsais ir tiksliais tarpais. Integruojant III-V stiprinimo terpę su Ličio niobato fazės moduliatorius, įveikęs įprastų režimu blokuojamų lazerių dydžio apribojimus, sukūrėme režimu blokuotą lazerį, pasižymintį puikiomis eksploatacinėmis savybėmis, sumažinant jų dydį iki lusto masto. Tikimasi, kad šio tyrimo rezultatai bus praktiškai pritaikyti pažangiausiuose tokiose srityse kaip tikslumas matavimas ir spektroskopija.
