அல்ட்ராஃபாஸ்ட் லேசர்கள் ஆய்வுகூட மேசைகளிலிருந்து சிப்களுக்கு நகரக்கூடும்

நீண்ட காலமாக உள்ள ஃபோட்டோனிக்ஸ் இலக்கு இறுதியாக நடைமுறையாக்கக்கூடியதாக இருக்கலாம்

அல்ட்ராஃபாஸ்ட் லேசர்கள் நவீன அறிவியல் மற்றும் பொறியியலில் மிகவும் பயனுள்ள கருவிகளில் ஒன்றாக உள்ளன, ஆனால் அவற்றைச் சிறிதாக்குவது மிகவும் கடினமானவற்றில் ஒன்றாகவும் இருந்துள்ளது. துல்லிய உற்பத்தி, கண் அறுவைச் சிகிச்சை, உயிரியல் இமேஜிங், மற்றும் அணுக்கடிகாரங்களில் பயன்படுத்தப்படும் அமைப்புகள், எடுத்துச் செல்லக்கூடிய சாதனங்களைவிட பெரும்பாலும் பெரிய ஒளி அமைப்புகளை ஆக்கிரமிக்கின்றன. Nature இல் வெளியான ஒரு புதிய முடிவு, அந்த கட்டுப்பாடு தளரத் தொடங்கியிருக்கலாம் என்று சுட்டிக்காட்டுகிறது.

ஒரு சிறிய ஃபோட்டானிக் சிப்பில் அல்ட்ராஃபாஸ்ட் லேசரை உருவாக்கி, சில அம்சங்களில் ஆய்வுகூடத் தர அமைப்புகளுடன் போட்டியிடும் அளவிற்கு வெளிப்பாட்டை அடைந்ததாக ஆராய்ச்சியாளர்கள் தெரிவிக்கின்றனர். வழங்கப்பட்ட மூலப் பொருளின்படி, இந்த சாதனம் 1.05 நானோஜூல் ஆற்றலும் 147 பெம்டோசெக்கண்ட் நீளமும் கொண்ட புல்ஸ்களை வழங்கியது. நடைமுறையில், இதன் பொருள் மிகுந்த சிறுபடுத்தப்பட்ட தளத்திலிருந்து உருவாக்கப்பட்ட மிகக் குறுகிய, அதிக ஆற்றல் கொண்ட துடிப்புகள் என்பதாகும்.

இந்தப் பணி EPFL-இன் Tobias Kippenberg “holy grail” என விவரித்த integrated photonics இலக்கை நோக்கி செல்கிறது: சிப்பில் அதிக புல்ஸ்-ஆற்றல் கொண்ட femtosecond laser ஒன்றை உருவாக்குவது. இருபதுக்கும் மேற்பட்ட ஆண்டுகளாக, அந்த இலக்கு அடைய முடியாமல் இருந்தது; ஏனெனில் அல்ட்ராஃபாஸ்ட் லேசர்களை சக்திவாய்ந்ததாக ஆக்கும் அம்சங்களே அவற்றை chip-scale architecture-களில் சுருக்குவதையும் கடினமாக்கின.

அல்ட்ராஃபாஸ்ட் லேசர்களை சிறிதாக்குவது ஏன் கடினம்

ஃபோட்டானிக் சிப்கள் மின்சாரத்திற்குப் பதிலாக ஒளியைப் பயன்படுத்தி சிக்னல்களை எடுத்துச் சென்று செயலாக்குகின்றன. அவை waveguides மற்றும் resonant cavities போன்ற நுண்ணமைப்புகள் மூலம் இதைச் செய்கின்றன. photonics மிக உயர்ந்த வேகம், குறைந்த இழப்பு கொண்ட சிக்னல் கையாளல், மற்றும் சுருக்கமான ஒளி அமைப்புகளை சாத்தியமாக்கும் என்பதால் இந்த அணுகுமுறை கவர்ச்சிகரமானது. ஆனால் ஒரு அல்ட்ராஃபாஸ்ட் லேசரை சிப்பில் பொருத்துவது, ஒரு வழக்கமான வடிவமைப்பை வெறும் அளவில் குறைப்பதைப் போல எளிதல்ல.

இந்த லேசர்கள் அமைப்பை நிலையற்றதாக்காமல் தீவிரமான புல்ஸ்களை உருவாக்க வேண்டும். பெரிய ஆய்வுகூட அமைப்புகளில் பாரம்பரியமாக ஆற்றல், வெப்பம், காலநேர கட்டுப்பாடு, மற்றும் ஒளிப் பாதை வடிவமைப்பை நிர்வகிக்க அதிக இடம் இருந்தது. சிப்-அடிப்படையிலான தளங்கள் அளவு மற்றும் வடிவவியலில் கடுமையான கட்டுப்பாடுகளை விதிக்கின்றன, மேலும் அந்த வரம்புகள், கடுமையான உண்மைப் பயன்பாடுகளுக்குத் தேவையான அளவுக்கு உயர்ந்த புல்ஸ் ஆற்றலை அடைவதை கடினமாக்கியுள்ளன.

அறிக்கையிடப்பட்ட முன்னேற்றம், integrated-photonics துறை பெரும்பாலும் கவனிக்காமல் விட்டதாக ஆராய்ச்சியாளர்கள் கூறும் பழைய லேசர் கட்டமைப்பை மீண்டும் எடுத்துப் பார்த்ததிலிருந்து வந்தது. மூல உரை ஒவ்வொரு வடிவமைப்பு கூறின் முழு தொழில்நுட்ப விவரத்தையும் தரவில்லை, ஆனால் இந்த குழுவின் முன்னேற்றம் வெறும் சிறந்த உற்பத்தி பற்றியது மட்டுமல்ல என்பதை அது தெளிவாக்குகிறது. சிப் வரம்புகளுக்குள் உயர் செயல்திறன் கொண்ட புல்ஸ் உருவாக்கத்தை ஆதரிக்கக் கூடிய ஒரு அமைப்பு கட்டமைப்பைத் தேர்ந்தெடுத்ததுமே அதற்குக் காரணமாக இருந்தது.

பேச்சின் திசையை மாற்றும் செயல்திறன்

இங்கே எண்கள் முக்கியமானவை, ஏனெனில் அவை chip-based ultrafast lasers-ஐ நடைமுறை பயன்பாட்டிற்கு நெருக்கமாக்குகின்றன. 147 பெம்டோசெக்கண்ட் புல்ஸ் நீளம் என்பது ஒளித்துடிப்பு 147 quadrillionths of a second மட்டுமே நீடிப்பதாகும். அந்த நேர அளவுகளில், ultrafast lasers நுண்ணிய இயற்பியல் மற்றும் உயிரியல் செயல்முறைகளை ஆராய முடியும், பொருட்களை அபூர்வ துல்லியத்துடன் வெட்டவோ மாற்றவோ முடியும், மேலும் மேம்பட்ட கருவிகளில் காலநேர குறிப்பு நிலையாகவும் செயல்பட முடியும்.

இதற்கிடையில், ஒரு நானோஜூலைவிட அதிகமான புல்ஸ் ஆற்றல், சுருக்கத்திற்காக வெளிப்பாட்டு வலிமையைத் தியாகம் செய்யும் சிறுபடுத்தப்பட்ட அமைப்புகள் வழக்கமான துறையில் முக்கியமானது. சிப்-அடிப்படையிலான சாதனம் வெறும் குறுகிய புல்ஸ்கள் மட்டுமல்லாமல் அதிக ஆற்றல் கொண்ட புல்ஸ்களையும் உருவாக்க முடிந்தால், அது இப்போது பெரிதான வன்பொருள்களை சார்ந்திருக்கும் நோயறிதல், இமேஜிங், மற்றும் தகவல்-செயலாக்க அமைப்புகளுக்கு மிக அதிக பொருத்தமாகிறது.

மூல உரையின் கூற்று, இந்த சிப் உடனடியாக ஒவ்வொரு tabletop ultrafast laser-ஐயும் மாற்றும் என்பதல்ல. அப்படிச் சொல்வது முடிவை மிகைப்படுத்தும். அதற்கு பதிலாக, on-chip செயல்திறன், இதுவரை ஆய்வுகூடத்திலேயே இருந்த திறன்கள் சிறிய, மலிவான, மற்றும் எளிதில் நிறுவக்கூடிய கருவிகளுக்கு மாற்றப்படக்கூடிய நிலையை அடையத் தொடங்கியுள்ளது என்பதே அதன் முக்கியத்துவம்.

அது பல துறைகளில் ஏன் முக்கியமாக இருக்கலாம்

ultrafast lasers chip-scale கூறுகளாக மாறினால், உடனடி தாக்கம் portability மற்றும் cost மீது இருக்கும். இன்று இந்த லேசர்களை நம்பும் பல அமைப்புகள் கட்டுப்படுத்தப்பட்ட ஆய்வுகூட அல்லது தொழிற்சாலை சூழல்களைத் தேவைப்படுத்துகின்றன; அது லேசரின் காரணமாக மட்டுமல்ல, துணை optics மற்றும் alignment தேவைகளின் காரணமாகவும் ஆகும். ஒரு photonic-chip செயலாக்கம் அந்த சிக்கலின் ஒரு பகுதியைக் குறைத்து, மேலும் ஒருங்கிணைந்த தயாரிப்புகளை சாத்தியமாக்கலாம்.

அது மருத்துவ நோயறிதல் மற்றும் இமேஜிங்குக்கான வெளிப்படையான வாய்ப்புகளை உருவாக்குகிறது. தற்போது சிறப்பு வசதிகளை நம்பும் கருவிகள் சிறியதாகவும் அதிகளவில் பரவலாகவும் கிடைக்கக்கூடியதாகவும் மாறலாம். உற்பத்தி அமைப்புகள் மேலும் சுருக்கமான துல்லிய ஒளி மூலங்களால் பயனடையலாம். மேம்பட்ட optical timing மற்றும் சில quantum அல்லது sensing platforms உட்பட தகவல்-செயலாக்க பயன்பாடுகளும், வேகமானதும் ஒருங்கிணைந்ததுமான லேசர்களால் பயனடையலாம்.

பரந்த தொழிற்துறை விளைவு மின்னணுவியல் வரலாற்றிலிருந்து பரிச்சயமானது: ஒரு திறன் chip-compatible ஆகும் தருணத்தில், பரிசோதனைகளும் வணிகமயமாக்கலும் வேகமடையும். பொறியாளர்கள் தனிப்பட்ட optical bench-ஐத் தவிர்த்து, ஒரே மாதிரியாக்கக்கூடிய கூறை மையமாகக் கொண்டு வடிவமைக்க முடியும். இது விரைவான பெருமளவு ஏற்றத்தை உறுதி செய்யாது, ஆனால் பொதுவாக தயாரிப்பு மேம்பாட்டுக்கான தடையை குறைக்கிறது.

பழைய யோசனை, புதிய பயன்

அறிக்கையின் மிகவும் வெளிப்படுத்தும் அம்சங்களில் ஒன்று, இந்த முன்னேற்றம் பல தசாப்தங்களுக்கு முந்தைய, குறைவாக மதிப்பிடப்பட்ட architecture-ஐ சார்ந்திருந்தது என்பதாகும். இது ஒவ்வொரு முனைமையான முன்னேற்றமும் முற்றிலும் புதிய கோட்பாட்டை கண்டுபிடிப்பதிலிருந்தே வருவதில்லை என்பதை நினைவூட்டுகிறது. சில நேரங்களில் முன்னேற்றம் என்பது ஒரு பழைய கருத்திற்கான சரியான சூழலைக் கண்டுபிடித்து, அதை நவீன fabrication, materials, மற்றும் system-level insight உடன் இணைப்பதாகும்.

வடிவமைப்பு கட்டுப்பாடுகள் முழு துறைகளையும் குறிப்பிட்ட architectures நோக்கி இட்டுச் செல்லக்கூடிய photonics-இல், கவனிக்கப்படாத தேர்வுகள் பல ஆண்டுகளாக செயலற்ற நிலையில் இருக்கலாம். ஆராய்ச்சியாளர்களின் வெற்றி, on-chip-இல் எது நடைமுறையாகும் என்பது குறித்த சில கருதுகோள்கள் மிகுந்த எச்சரிக்கையுடன் இருந்திருக்கலாம், அல்லது குறைந்தபட்சம் மேலாதிக்கம் செலுத்தும் வடிவமைப்பு playbook-க்கு மிக அதிகமாக இணைந்திருந்திருக்கலாம் என்பதைக் காட்டுகிறது.

அடுத்து என்ன

மிக முக்கியமான அடுத்த கேள்வி இந்த முடிவு பாராட்டத்தக்கதா என்பதல்ல, மாறாக அது ஆய்வுகூடத்திற்கு வெளியிலும் நிலைத்திருக்கக்கூடிய repeatable devices-ஆக engineering செய்ய முடியுமா என்பதாகும். chip photonics-க்கு manufacturing திறன், நிலைத்தன்மை, packaging, மற்றும் சுற்றியுள்ள அமைப்புகளுடன் பொருந்துதல் ஆகியவையே ஒரு வலுவான paper-ஐ platform technology-யிலிருந்து வேறுபடுத்துகின்றன.

எvertheless, திசை தெளிவாக உள்ளது. இந்த வேலை ultrafast photonics-ஐ, ஒருகாலத்தில் room-scale optical setups-க்கு ஒதுக்கப்பட்ட பணிகளை சுருக்கமான சாதனங்கள் செய்யக்கூடிய நிலைக்கு மேலும் நெருக்கமாக்குகிறது. இதனால் உயர் மட்ட அளவீடு மற்றும் இமேஜிங் கருவிகளுக்கான அணுகல், முன்னைய semiconductor முன்னேற்றங்கள் கணினி திறனுக்கான அணுகலை விரிவாக்கியதுபோல, விரிவடையலாம்.

• இந்த ஆய்வு ஒரு photonic chip-இல் ultrafast laser-ஐ காட்டுகிறது.
• அறிக்கையிடப்பட்ட வெளியீடு 147-femtosecond புல்ஸ்களுடன் 1.05 nanojoules வரை சென்றது.
• வடிவமைப்பு முன்பு கவனிக்கப்படாத laser architecture-ஐ சார்ந்துள்ளது.
• சாத்தியமான பயன்பாடுகளில் diagnostics, imaging, manufacturing, மற்றும் information processing அடங்கும்.

இப்போது, இந்த முன்னேற்றம் ஒரு முடிவடைந்த வணிகப் பொருளாக அல்ல, ஒரு threshold moment ஆகவே புரிந்து கொள்ளப்பட வேண்டும். ஆனால் அளவு என்பது நீண்ட காலமாக பரவலான பயன்பாட்டின் முக்கிய தடைகளில் ஒன்றாக இருந்த துறையில், ஒரு ultrafast laser on-chip நம்பகமாக செயல்பட முடியும் என்பதை நிரூபிப்பது முக்கியமான ஒரு படியாகும். தொடர்ந்து வரும் வேலை இந்த முடிவை வலுவான சாதனங்களாக மாற்ற முடிந்தால், photonic systems மேலும் சிறியதாக, மலிவானதாக, மற்றும் மிகவும் பரவலாக நிறுவக்கூடியதாக மாறலாம்.

இந்த கட்டுரை Live Science செய்தி அறிக்கையை அடிப்படையாகக் கொண்டது. மூலக் கட்டுரையைப் படிக்கவும்.