Uma equipe de fotônica desenvolveu lasers ultrarrápidos de alto desempenho que cabem na ponta do dedo

Os lasers são ferramentas essenciais para observar, detectar e medir coisas no mundo natural que não podemos ver a olho nu. Mas a capacidade de realizar estas tarefas é muitas vezes limitada pela necessidade de utilizar instrumentos caros e grandes.

Em um artigo de capa recém-publicado na revista Science, o pesquisador Qiushi Guo demonstra uma nova abordagem para a criação de lasers ultrarrápidos de alto desempenho em chips nanofotônicos. Seu trabalho se concentra na miniaturização de lasers de modo bloqueado– um laser exclusivo que emite um feixe de pulsos de luz coerentes e ultracurtos em intervalos de femtossegundos, o que equivale a um surpreendente quatrilionésimo de segundo.

Lasers ultrarrápidos com modo bloqueado são indispensáveis ​​para desvendar os segredos das escalas de tempo mais rápidas da natureza, como a criação ou quebra de ligações moleculares durante reações químicas ou a propagação da luz em um meio turbulento. A alta velocidade, intensidade de pico de pulso e cobertura de amplo espectro de lasers com modo bloqueado também permitiram inúmeras tecnologias fotônicas, incluindo relógios atômicos ópticos, imagens biológicas e computadores que usam luz para calcular e processar dados.

Infelizmente, os lasers de modo bloqueado de última geração são atualmente sistemas de mesa caros e que exigem energia, limitados ao uso em laboratório.

“Nosso objetivo é revolucionar o campo da fotônica ultrarrápida, transformando grandes sistemas baseados em laboratório em sistemas do tamanho de chips que podem ser produzidos em massa e implantados em campo”, disse Guo, membro do corpo docente da Iniciativa Fotônica do CUNY Advance Science Research Center e um professor de física do CUNY Graduate Center.

“Não queremos apenas tornar as coisas menores, mas também queremos garantir que esses lasers ultrarrápidos do tamanho de um chip ofereçam desempenho satisfatório. Por exemplo, precisamos de intensidade de pico de pulso suficiente, de preferência acima de 1 watt, para criar uma escala de chip significativa para sistemas.”

No entanto, produzir um laser de modo bloqueado eficaz em um chip não é um processo simples. A pesquisa de Guo aproveita uma plataforma de material emergente conhecida como niobato de lítio de película fina (TFLN). Este material permite uma modelagem muito eficiente e um controle preciso dos pulsos de laser, aplicando um sinal elétrico externo de radiofrequência.

Em seus experimentos, a equipe de Guo combinou de forma única o alto ganho de laser de semicondutores III-V e a capacidade eficiente de modelagem de pulso de guias de onda fotônicos em nanoescala TFLN para demonstrar um laser que pode emitir uma potência de pico de alta saída de 0,5 watt.

Além de seu tamanho compacto, o laser de modo bloqueado demonstrado também exibe muitas propriedades intrigantes que estão além do alcance dos convencionais, oferecendo implicações profundas para aplicações futuras. Por exemplo, ajustando a corrente da bomba do laser, Guo conseguiu sintonizar com precisão as frequências de repetição dos pulsos de saída em uma faixa muito ampla de 200 MHz. Ao empregar a forte reconfigurabilidade do laser demonstrado, a equipe de pesquisa espera permitir fontes de pente de frequência em escala de chip e com frequência estabilizada, que são vitais para a detecção de precisão.

A equipe de Guo precisará enfrentar desafios adicionais para produzir sistemas fotônicos escaláveis, integrados e ultrarrápidos que possam ser traduzidos para uso em dispositivos portáteis e móveis, mas seu laboratório superou um grande obstáculo com esta demonstração atual.

“Essa conquista abre caminho para o uso de telefones celulares para diagnosticar doenças oculares ou analisar alimentos e ambientes em busca de coisas como E. coli e vírus perigosos”, disse Guo. “Também poderia permitir relógios atômicos futuristas em escala de chip, que permitiriam a navegação quando o GPS está comprometido ou indisponível.”