EPFL ఒక ఫెమ్టోసెకండ్ లేజర్‌ను photonic chip‌పై కుదించింది

ఇరవై ఏళ్ల photonics లక్ష్యం చివరికి చేరువలోకి రావచ్చు

EPFL పరిశోధకులు, సంప్రదాయ tabletop femtosecond lasers పనితీరును సరిపోల్చగలిగే మొదటి integrated ultrafast laser‌ను నిర్మించామని చెబుతున్నారు. Natureలో నివేదించబడిన ఈ పరికరం, photonic chip నుంచే నేరుగా 1.05 nanojoules pulse energy మరియు 147 femtoseconds వరకు చిన్న pulse durations‌ను ఉత్పత్తి చేస్తుంది.

ఈ సంఖ్యలు ప్రయోగశాల దాటి బయటకు వచ్చినప్పుడు కూడా నిలబడితే, ఈ విజయం integrated photonics‌కు ఒక పెద్ద మలుపుగా మారవచ్చు. ఇరవై సంవత్సరాలకు పైగా, chip‌పై high-pulse-energy femtosecond lasers ఒక రకమైన holy grail‌గా పరిగణించబడ్డాయి: స్పష్టంగా ఉపయోగకరమైనవి, సిద్ధాంతపరంగా సాధ్యమైనవి, కానీ ఆచరణలో అందని దూరంలో ఉన్నవి.

ultrafast lasers ఎందుకు ముఖ్యమైనవి

Ultrafast lasers ఆధునిక optics‌లో అత్యవసర సాధనాలు, ఎందుకంటే అవి అత్యంత చిన్న light pulses‌ను సృష్టిస్తాయి. అలాంటి pulses manufacturing, surgery, spectroscopy, మరియు frequency-comb systems వంటి అధిక-సూక్ష్మత ఉపయోగాలను సాధ్యం చేస్తాయి; ఇందులో ఇప్పటివరకు అందుబాటులో ఉన్న అత్యంత ఖచ్చితమైన timekeeping technologies‌కు ఆధారమైన optical atomic clocks కూడా ఉన్నాయి.

సమస్య size మరియు cost. సంప్రదాయ femtosecond systems సాధారణంగా పెద్ద optical tables‌ను ఆక్రమిస్తాయి మరియు సంక్లిష్టమైన alignments, ప్రత్యేక వాతావరణాలను కోరుకుంటాయి. దీని వల్ల అవి ఎక్కడ వినియోగించవచ్చో, ఎవరు వాడగలరో పరిమితమయ్యాయి.

ఒక chip-scale సమాన ప్రత్యామ్నాయం ఈ సమీకరణాన్ని మారుస్తుంది. శక్తివంతమైన ultrafast lasers‌ను telecommunications hardware‌లో photonic components‌లా తయారు చేసి కలపగలిగితే, ఈ సాంకేతికత చిన్నదిగా, చౌకగా, మరింత సులభంగా అందుబాటులోకి రావచ్చు.

దాన్ని పనిచేసేలా 만든 overlooked architecture

ఇచ్చిన మూల పాఠ్యం ప్రకారం, Tobias J. Kippenberg నేతృత్వంలోని EPFL బృందం Mamyshev oscillator architecture‌ను అనుసరించింది; ఇది integrated photonics‌లో తక్కువ దృష్టి పొందిన డిజైన్. ఈ వ్యవస్థలో, spectrum యొక్క వేర్వేరు భాగాలను అనుమతించే రెండు optical filters మధ్య ఒక nonlinear waveguide ఉంటుంది. ఒక తీవ్ర pulse waveguide గుండా ప్రయాణించగా, దాని spectrum విస్తరిస్తుంది; అలా filters ultrafast pulse formation‌ను ఆకారమిస్తూ స్థిరపరచగలుగుతాయి.

ఈ ఎంపిక యొక్క ప్రాముఖ్యత కేవలం అది పనిచేయడమే కాదు; సమస్య material లేదా manufacturing-సంబంధితమే కాకపోవచ్చని కూడా సూచిస్తుంది. కొన్నిసార్లు, దీర్ఘకాల సమస్య పరిష్కారమవకపోవడానికి కారణం field తప్పు design space‌ను చూస్తుండటమే. EPFL ఫలితం integrated photonics high-energy femtosecond operation కోసం ప్రత్యేకంగా ప్రభావవంతమైన మార్గాన్ని పట్టించుకోలేకపోయి ఉండవచ్చని సూచిస్తుంది.

Kippenberg ఈ chip-based ఫలితాన్ని field ఒక “holy grail”గా చూసిందని చెప్పారు. ఆ భాష, సవాలు ఎంత కేంద్రస్థానంలో ఉందో చూపిస్తుంది. అనేక photonic technologies chips‌పై విజయవంతంగా చిన్నవిగా మారాయి, కానీ ultrafast, high-energy pulse generation అత్యంత కఠినమైన మార్పుల్లో ఒకటిగా మిగిలిపోయింది.

ఇది ఏమి తెరవగలదు

ఇచ్చిన పదార్థంలో పేర్కొన్న సాధ్యమైన అనువర్తనాలు medical diagnostics నుంచి atomic clocks వరకు వ్యాపించాయి. ఆ ఉదాహరణలు మరింత విస్తృతమైన ప్రభావాన్ని సూచిస్తున్నాయి: ఒక అధిక-ప్రదర్శన optical tool chip-scale అయినప్పుడు, అది ప్రత్యేక పరిశోధన మౌలిక వసతుల నుంచి deploy చేయగల వ్యవస్థలవైపు కదలగలదు.

ఇది కనీసం మూడు విధాలుగా ముఖ్యం. మొదట, compactness table-sized lasers‌కు సరిపడని instruments‌లో కలపడానికి ఉన్న అడ్డంకిని తగ్గిస్తుంది. రెండవది, manufacturability ఖర్చును తగ్గించి reproducibility‌ను మెరుగుపరచగలదు. మూడవది, on-chip compatibility ultrafast light generation‌ను ఇతర photonic functions‌తో మరింత tightly integrated devices‌లో కలపగల అవకాశాన్ని ఇస్తుంది.

ఆచరణలో, ఇది sensing, communications, precision measurement, మరియు portable scientific instrumentation‌పై ప్రభావం చూపవచ్చు. అన్ని tabletop systems మాయమవ్వవు, కానీ femtosecond-grade performance అందుబాటులో ఉండే వాతావరణాలు గణనీయంగా విస్తరించవచ్చు.

integrated photonics‌కు ఒక మైలురాయి

Photonic chips ఇప్పటికే telecommunications‌లో ముఖ్య పాత్ర పోషిస్తున్నాయి; అక్కడ waveguides కాంతిని electronic circuits current‌ను నడిపినట్లే దారి చూపుతాయి. ఈ miniaturization logic‌ను ultrafast laser generation వరకు విస్తరించడం ఒక స్పష్టమైన ఆశయం, కానీ అవి కేవలం సౌలభ్యం కాదు, పనితీరు కోరుకునే కారణంగా ఆ ఆశయాలు అత్యంత కఠినంగా మారుతాయి.

EPFL బృందం చేసిన వాదన ముఖ్యమైనది, ఎందుకంటే ఇది లేజర్‌ను chip‌పై అమర్చడమే కాదు. దాన్ని స్థాపిత femtosecond systems పనితీరుతో సమానంగా చేస్తూ అమర్చడం. ఆ తేడానే ఒక ఉపయోగకరమైన demo మరియు ఒక రంగాన్ని మార్చగల platform‌ను వేరు చేస్తుంది.

ఇంకా ఒక landmark paper మరియు mass-deployed product మధ్య తేడా ఉంది. packaging, reliability, manufacturing yield, మరియు system integration తదుపరి కీలకమవుతాయి. కానీ ఇక్కడ నివేదించిన ఫలితం, optics‌లో అత్యంత శక్తివంతమైన సాధనాల్లో ఒకదాన్ని chip-scale రూపంలో కుదించే దీర్ఘ ప్రయత్నం ఒక అర్థవంతమైన పరిమితిని దాటి వెళ్లిందని సూచిస్తోంది.

ఇది ఎందుకు ప్రత్యేకంగా నిలుస్తుంది

• ఈ device on chip‌పై 1.05 nanojoules pulse energy మరియు 147-femtosecond pulses సాధిస్తుందని చెబుతున్నారు.
• ఈ పని Natureలో ప్రచురితమైంది మరియు integrated photonics‌లోని దీర్ఘకాల లక్ష్యాన్ని చేరుకుంటుంది.
• ఈ ఉద్దేశ్యం కోసం బృందం ఎక్కువగా పట్టించుకోని Mamyshev oscillator architecture‌ను ఉపయోగించింది.
• సాధ్యమైన అనువర్తనాల్లో diagnostics, precision metrology, మరియు optical clock systems ఉన్నాయి.

ఈ వ్యాసం Science Daily నివేదికపై ఆధారపడింది. మూల వ్యాసాన్ని చదవండి.