Создание компактных источников импульсного света средневолнового инфракрасного диапазона долгое время оставалось серьёзной технической задачей, но теперь физики сделали важный шаг в этом направлении. Исследователи из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) разработали миниатюрный лазер, который излучает крайне яркие и кратковременные вспышки света в средневолновом инфракрасном диапазоне – области спектра, важной для многих применений, но сложной для освоения. При этом все компоненты устройства удалось разместить на одном чипе, что ранее было достижимо только для более крупных и сложных фотонных систем.
Новая разработка представляет собой первый в своем роде пикосекундный лазерный импульсный генератор средневолнового инфракрасного излучения, полностью интегрированный на чипе и не требующий внешних компонентов для работы. Устройство способно формировать так называемую оптическую гребёнку частот – спектр света, состоящий из равноотстоящих частотных линий, подобно зубцам гребёнки, она служит эталонной «линейкой» измерений. Такие гребёнки используются в прецизионных измерениях (высокоточные методы анализа, которые позволяют фиксировать мельчайшие изменения в физических, химических или биологических параметрах с минимальной погрешностью), а новый лазерный чип в перспективе может ускорить создание высокочувствительных широкополосных датчиков газа для экологического мониторинга или спектроскопических инструментов нового поколения для медицинской визуализации.
Ключевым элементом новой разработки стал квантово-каскадный лазер – источник когерентного средневолнового инфракрасного излучения, принцип работы которого основан на использовании многослойных полупроводниковых наноструктур. В отличие от традиционных полупроводниковых лазеров, где для генерации импульсов света применяются устоявшиеся методы синхронизации мод, квантово-каскадные лазеры крайне сложно перевести в импульсный режим из-за их сверхбыстрой внутренней динамики. Существующие генераторы импульсов средневолнового инфракрасного диапазона на основе квантово-каскадных лазеров обычно требуют сложных внешних схем и множества отдельных компонентов. Кроме того, они часто ограничены по мощности и ширине спектра излучения.
Новый генератор импульсов, напротив, объединяет на одном чипе несколько концепций из области нелинейной интегральной фотоники и интегральных лазеров, позволяя формировать пикосекундные импульсы света особой формы, называемые солитонами. При разработке архитектуры чипа исследователи вдохновлялись принципами работы Керровских микрорезонаторов – устройств для модуляции света. Такой подход позволил обойтись без традиционных методов, таких как синхронизация мод, для генерации импульсов. Важным аспектом является и то, что устройство может быть произведено с использованием стандартных промышленных процессов изготовления полупроводников.
Разработанный лазер продемонстрировал стабильную генерацию импульсов в течение нескольких часов. По мнению исследователей, эта технология открывает новые горизонты в средневолновой инфракрасной спектроскопии. Способность массового производства таких устройств с использованием существующих промышленных мощностей может стать решающим фактором для их широкого распространения в различных областях, включая мониторинг окружающей среды, управление промышленными процессами, медико-биологические исследования и медицинскую диагностику.