Çok çeşitli frekansları kapsayan odaklanmış lazer benzeri ışık, birçok bilimsel çalışma ve birçok uygulama için, örneğin, yarı iletken elektronik yongaların üretiminin kalite kontrolü için oldukça arzu edilir. Ancak bu kadar geniş bant ve tutarlı ışık yaratmak, hantal, enerji açlık masa üstü cihazlardan başka bir şeyle elde edilmesi zor olmuştur.
Şimdi, Caltech’te elektrik mühendisliği ve uygulamalı fizik profesörü olan Alireza Marandi liderliğindeki bir Caltech ekibi, tüm mikroçip üzerinde ultra yüksek verimliliğe sahip alışılmadık geniş bir lazer ışığı frekansları üretebilen küçük bir cihaz yarattı. Çalışma, iletişim ve görüntülemeden spektroskopiye kadar değişen alanlarda potansiyele sahiptir, burada ışığın çeşitli ortamlarda atomların ve moleküllerin tespitine yardımcı olacağı.
Araştırmacılar, dergide görünen bir makalede yeni nanofotonik cihazı ve yaklaşımı tanımlayın. Nature Fotonics. “Ultra-düşük eşikli bir nanofotonik parametrik osilatörden çok oktave frekans tarağı” makalesinin baş yazarı, işi Marandi’nin laboratuvarında bir lisansüstü öğrencisi olarak tamamlayan Ryoto Sekine (Ph.D.).
Marandi, “Femtojoule aralığındaki tek bir nanofotonik cihaz ve düşük giriş enerjileri ile elektromanyetik spektrumun geniş bir bölümünü, görünür dalga boylarından orta kızılöteye kadar kaplayabileceğinizi gösteriyoruz. Bu hiç yapılmamış bir şey.”
Caltech cihazı 1965’ten beri var olan bir teknoloji kullanıyor: optik parametrik osilatör (OPO). Esasen, bir OPO bir rezonatördür, bir giriş frekansında gelen lazer ışığını alan ve dikkatli bir mühendislik ile farklı frekansların ışığı üretebilen özel bir doğrusal olmayan kristal kullanan özel bir doğrusal olmayan kristal kullanan küçük tasarlanmış bir ışık tuzağıdır.
Genel olarak, OPO’lar dar bir frekans aralığına sahip bir lazer kaynağından başlar ve farklı frekanslarda çıkışlar üretir, ancak yine de dar bir aralıkta. Tipik olarak, yaygın olarak ayarlanabilir veya ayarlanabilir çıkış frekanslarına sahip lazer benzeri kaynaklar olarak kullanılmıştır.
Hafif bir tarak
Bununla birlikte, bu çalışmada, Marandi ve meslektaşları, çok az giriş enerjisi olan çok çeşitli frekanslarda eşit aralıklı lazer benzeri bir ışık spektrumu olan bir frekans tarağı olarak bilinen şeyi üretmek için bir çip üzerinde nano ölçekte OPO’larını tasarladılar. Frekans tarağı şaşırtıcı derecede geniş bir spektral aralığı kapsar ve görünür ışıktan keskin, kararlı çizgiler sağlar, daha uzun kızılötesi dalga boylarına kadar görebiliriz.
İki bilim adamı, frekans tarak tekniğini geliştiren çalışmalarından dolayı 2005 Nobel Fizik Ödülü’nü kazandı. Tek bir ışık yayan geleneksel lazerlerin aksine, frekans tarakları çeşitli frekanslarda ışık için bir cetvel gibi davranır. Bu taraklar, atomik saatlerin hassasiyetinden ve ışıkla yapılan ölçümlerden çevresel izlemeye kadar her şeyi iyileştirmek için kullanılmıştır.
Ancak Marandi, frekans taraklarında iki ana zorluk olduğunu söylüyor: biri kaynakların çok büyük olması ve ikincisi, onları istenen farklı spektral pencerelerde yapmanın zor olmasıdır. Çalışmamız her iki problemin her ikisini de çözmek için bir yol sunuyor. “
Yeni cihazın temel ilerlemeleri, Marandi’nin dağılım mühendisliği olarak tanımladığı şeydir – cihazdan ne kadar farklı ışık dalga boylarının nasıl geçtiğini, yayılmak yerine birlikte kalmalarını sağlayan – ve özenle tasarlanmış bir rezonatör yapısıdır. Bunlar birlikte, cihazın spektrumu verimli bir şekilde genişletmesine ve son derece düşük bir eşik veya çalışmaya başladığı enerji gerektirirken tutarlılığı korumasına izin verir.
Şaşırtıcı derecede geniş tutarlı bir spektrum
Marandi, kendisinin ve ekibinin cihazın performansından şaşırdıklarını söylüyor. “Onu açtık ve gücü krankladık ve spektruma baktığımızda bunun son derece geniş olduğunu gördük. Süper-Broad spektrumunun gerçekten tutarlı olduğuna şaşırdık. Bu, OPO’ların nasıl çalıştığına dair ders kitabı açıklamalarına aykırı oldu” diyor.
Bu, araştırmacıları simülasyonlarına ve bunun nasıl olabileceğini anlamaya çalışmak için teoriye gönderdi. Simülasyonlarda, gelen ışığın eşiğin üzerinde enerjisini yükseltmek, spektrumun tutarsız olmasına neden oldu – yani çeşitli dalga boylarında ve fazda kilitlenmemiştir, bu da hiçbir frekans tarağı üretilmez. Ancak laboratuvarda, spektrum eşiğin üzerinde çalışırken tutarlıydı.
Marandi, “OPO’nun eşiğinin çok üzerinde olduğu ve tutarlılığın yeniden kurulduğu bu yeni OPO operasyonu rejimi olduğunu keşfetmek belki altı ay aldı.” Diyor.
“Bu OPO’nun eşiği önceki OPO’lardan daha düşük büyüklük sıraları olduğu ve dağılım ve rezonatör, OPO’ların önceki gerçekleşmesinden farklı olarak tasarlandığından, diğer spektral genişleme şemalarından daha fazla enerji tasarruflu olan bu olağanüstü spektral genişlemeyi gözlemleyebiliriz.”
Araştırmacılar, çalışmanın şu anda masa üstü kurulumlarında bulunan frekanslı tarak tabanlı teknolojilerin entegre fotonik cihazlara nasıl geçebileceğini yeniden şekillendirebileceğini söylüyor. Kararlı frekans tarakları yapmak için kullanılan ana tekniklerden biri, spektrumlarını önemli ölçüde genişletmeyi gerektirir. Bu tür genişleme için gereken enerji, frekans tarak teknolojilerinin çip üzerinde entegrasyonunu önleyen darboğazlardan biri olmuştur.
Bunun ötesinde, molekülleri ölçmek için kullanılan en iyi gelişmiş lazerler ve dedektörler de dahil olmak üzere fotonik teknolojilerin büyük kısmı, yakın kızılötesi veya görünür aralıkta çalışır.
Giriş frekansı olarak kızılötesine yakın lazerlerden başlayan ve daha sonra orta kızılötesi aralıkta tutarlı ışık elde eden ışığı verimli bir şekilde dönüştüren OPO’lar, örneğin spektroskopi ile çalışanların daha düşük frekanslarda zengin bir bilgiye erişmelerine izin verebilir.
