Lampu seperti laser terfokus yang mencakup berbagai frekuensi sangat diinginkan untuk banyak studi ilmiah dan untuk banyak aplikasi, misalnya kontrol kualitas chip elektronik semikonduktor manufaktur. Tetapi menciptakan broadband dan cahaya yang koheren seperti itu sulit dicapai dengan apa pun kecuali perangkat meja yang haus energi yang besar.
Sekarang, tim Caltech yang dipimpin oleh Alireza Marandi, seorang profesor teknik listrik dan fisika terapan di Caltech, telah menciptakan perangkat kecil yang mampu menghasilkan berbagai frekuensi cahaya laser yang luar biasa dengan efisiensi tinggi-semua pada microchip. Pekerjaan ini memiliki potensi di daerah -daerah mulai dari komunikasi dan pencitraan hingga spektroskopi, di mana cahaya akan membantu mendeteksi atom dan molekul dalam berbagai pengaturan.
Para peneliti menggambarkan perangkat nanofotonik baru dan pendekatan dalam makalah yang muncul di jurnal Fotonik Alam. Penulis utama makalah ini adalah Ryoto Sekine (PhD '25), yang menyelesaikan pekerjaan sementara seorang mahasiswa pascasarjana di lab Marandi.
“Kami menunjukkan bahwa dengan satu perangkat nanofotonik dan energi input rendah di rentang femtoJoule, Anda sebenarnya dapat mencakup bagian luas dari spektrum elektromagnetik, dari panjang gelombang yang terlihat hingga inframerah pertengahan. Ini adalah sesuatu yang belum pernah dilakukan,” kata Marandi.
Perangkat CalTech menggunakan teknologi yang telah ada sejak 1965: Oscillator Parametrik Optik (OPO). Pada dasarnya, OPO adalah resonator, perangkap cahaya yang direkayasa kecil yang mengambil cahaya laser yang masuk pada frekuensi input dan menggunakan kristal nonlinier khusus, lithium niobate-yang, dengan rekayasa yang cermat, dapat menghasilkan cahaya dari frekuensi yang berbeda.
Secara umum, OPO mulai dari sumber laser dengan rentang frekuensi sempit dan menghasilkan output pada frekuensi yang berbeda tetapi masih dalam kisaran sempit. Biasanya, mereka telah digunakan sebagai sumber seperti laser dengan frekuensi output yang dapat disetel secara luas, atau dapat disesuaikan.
Sisir ringan
Namun, dalam pekerjaan ini, Marandi dan rekan-rekannya telah merekayasa OPO mereka di skala nano pada chip untuk menghasilkan apa yang dikenal sebagai sisir frekuensi, spektrum cahaya seperti laser berjarak merata di berbagai frekuensi dengan energi input yang sangat sedikit. Sisir frekuensi mencakup rentang spektral yang sangat luas, memberikan garis yang tajam dan stabil dari cahaya yang terlihat yang dapat kita lihat sampai ke panjang gelombang inframerah tengah yang lebih panjang.
Dua ilmuwan mendapatkan bagian dari Hadiah Nobel Fisika 2005 untuk pekerjaan mereka mengembangkan teknik sisir frekuensi. Tidak seperti laser konvensional, yang memancarkan satu warna cahaya, sisir frekuensi bertindak seperti penggaris cahaya di berbagai frekuensi. Sisir -sisir ini telah digunakan untuk meningkatkan segala sesuatu mulai dari ketepatan jam atom dan pengukuran yang dilakukan dengan cahaya hingga pemantauan lingkungan.
Tapi, Marandi berkata, “Ada dua tantangan utama dengan sisir frekuensi: satu adalah bahwa sumbernya terlalu besar, dan yang kedua adalah sulit untuk membuatnya di berbagai jendela spektral yang diinginkan. Pekerjaan kami menawarkan jalan menuju pemecahan kedua masalah ini.”
Kemajuan utama perangkat baru adalah apa yang digambarkan Marandi sebagai pembentukan rekayasa dispersi bagaimana panjang gelombang yang berbeda dari perjalanan cahaya melalui perangkat, memastikan bahwa mereka tetap bersama daripada menyebarkan dan struktur resonator yang dirancang dengan hati-hati. Bersama -sama, ini memungkinkan perangkat untuk memperluas spektrum secara efisien dan mempertahankan koherensi sambil membutuhkan ambang batas yang sangat rendah, atau energi di mana ia mulai bekerja.
Spektrum koheren yang sangat luas
Marandi mengatakan bahwa dia dan timnya terkejut dengan kinerja perangkat. “Kami menyalakannya dan meningkatkan kekuatan, dan ketika kami melihat spektrum, kami melihat bahwa itu sangat luas. Kami sangat terkejut bahwa spektrum super-road sebenarnya koheren. Ini bertentangan dengan deskripsi buku teks tentang bagaimana OPOS bekerja,” katanya.
Itu membuat para peneliti kembali ke simulasi mereka dan ke teori untuk mencoba mencari tahu bagaimana itu bisa terjadi. Dalam simulasi, menaikkan energi cahaya yang masuk di atas ambang batas menyebabkan spektrum menjadi tidak koheren-yaitu, dari berbagai panjang gelombang dan tidak terkunci dalam fase, yang berarti tidak ada sisir frekuensi yang dihasilkan. Namun kembali ke lab, spektrumnya koheren ketika beroperasi lebih jauh di atas ambang batas.
“Kami membutuhkan waktu enam bulan untuk menemukan bahwa ada rezim baru operasi OPO di mana OPO jauh di atas ambang batasnya dan koherensi dibangun kembali,” kata Marandi. “Karena ambang batas OPO ini adalah urutan besarnya lebih rendah dari OPO sebelumnya, dan dispersi dan resonator direkayasa tidak seperti realisasi OPO sebelumnya, kita dapat mengamati perluasan spektral fenomenal ini, yang merupakan urutan besarnya lebih hemat energi daripada skema perluasan spektral lainnya.”
Para peneliti mengatakan pekerjaan itu dapat membentuk kembali bagaimana teknologi berbasis sisir frekuensi, yang saat ini ditemukan dalam pengaturan top-top, dapat beralih ke perangkat fotonik terintegrasi. Salah satu teknik utama yang digunakan untuk membuat sisir frekuensi yang stabil memerlukan memperluas spektrum mereka secara signifikan. Energi yang diperlukan untuk perluasan seperti itu telah menjadi salah satu kemacetan yang mencegah integrasi teknologi kombinasi frekuensi pada chip.
Di luar itu, sebagian besar teknologi fotonik, termasuk laser dan detektor yang paling berkembang dengan baik yang digunakan untuk mengukur molekul, beroperasi dalam kisaran inframerah-dekat atau terlihat. OPO yang dimulai dari laser inframerah-dekat sebagai frekuensi input dan kemudian secara efisien mengonversi cahaya, mengeluarkan cahaya koheren dalam kisaran inframerah tengah, dapat memungkinkan para peneliti, misalnya mereka yang bekerja dengan spektroskopi, untuk mengakses banyak informasi pada frekuensi yang lebih rendah. Pada saat yang sama, perangkat seperti itu dapat memungkinkan mengakses rentang frekuensi yang lebih tinggi untuk spektroskopi atom.
Makalah ini berjudul “Sisir frekuensi multi-oktaf dari osilator parametrik nanofotonik ultra-rendah.” Penulis tambahan adalah mantan mahasiswa pascasarjana Caltech Robert M. Gray (PhD '25) dan Luis Ledezma (PhD '23) serta mahasiswa pascasarjana Caltech saat ini Selina Zhou dan mantan sarjana postdoctoral Qiushi Guo. Perangkat nanofabrikasi dilakukan di Kavli Nanoscience Institute di Caltech.
Tautan terkait
Laser ultrafast pada chip ultratiny chip fotonik baru “meremas” lebih banyak dari kuliah Watson ringan: kekuatan nonlinier (A. marandi)
