అల్ట్రాఫాస్ట్ లేజర్లు ప్రయోగశాల బెంచ్‌ల నుంచి చిప్‌లకు మారొచ్చు

దీర్ఘకాలంగా ఉన్న ఫోటోనిక్స్ లక్ష్యం చివరకు ప్రాయోగికంగా మారొచ్చు

అల్ట్రాఫాస్ట్ లేజర్లు ఆధునిక విజ్ఞానం మరియు ఇంజినీరింగ్‌లో అత్యంత ఉపయోగకరమైన సాధనాల్లో ఒకటి, కానీ వాటిని చిన్నదిగా చేయడం అత్యంత కష్టమైన పనుల్లో ఒకటిగా కూడా ఉంది. ఖచ్చిత తయారీ, కంటి శస్త్రచికిత్స, జీవ ఇమేజింగ్, మరియు అటామిక్ క్లాక్‌లలో ఉపయోగించే వ్యవస్థలు తరచుగా పోర్టబుల్ పరికరాల కంటే పెద్ద ఆప్టికల్ సెటప్‌లనే ఆక్రమిస్తాయి. Natureలో ప్రచురితమైన ఒక కొత్త ఫలితం ఆ పరిమితి సడలడం ప్రారంభమై ఉండొచ్చని సూచిస్తోంది.

పరిశోధకులు ఒక చిన్న ఫోటోనిక్ చిప్‌పై అల్ట్రాఫాస్ట్ లేజర్‌ను నిర్మించి, కొన్ని అంశాల్లో ప్రయోగశాల-స్థాయి వ్యవస్థలతో పోటీపడగలంత బలమైన అవుట్‌పుట్‌ను సాధించినట్లు నివేదిస్తున్నారు. అందించిన మూల పదార్థం ప్రకారం, ఆ పరికరం 1.05 నానోజౌల్స్ శక్తి మరియు 147 ఫెమ్టోసెకండ్ల వ్యవధి గల పల్స్‌లను అందించింది. ప్రాయోగికంగా చెప్పాలంటే, అది అత్యంత సూక్ష్మీకరించిన ప్లాట్‌ఫారమ్ నుండి ఉత్పన్నమైన అత్యంత చిన్న, శక్తివంతమైన బర్స్ట్‌లను సూచిస్తుంది.

ఈ పని EPFL‌కు చెందిన Tobias Kippenberg “holy grail”గా పేర్కొన్న integrated photonics లక్ష్యాన్ని ఎదుర్కొంటోంది: చిప్‌పై అధిక పల్స్-శక్తి గల femtosecond laser‌ను తయారు చేయడం. రెండు దశాబ్దాలకు పైగా ఆ లక్ష్యం కష్టంగానే అందనంత దూరంలో ఉంది, ఎందుకంటే అల్ట్రాఫాస్ట్ లేజర్లను శక్తివంతంగా 만드는 లక్షణాలే వాటిని chip-scale architectures‌లో కుదించడానికీ కష్టతరం చేశాయి.

అల్ట్రాఫాస్ట్ లేజర్లను సూక్ష్మీకరించడం ఎందుకు కష్టం

ఫోటోనిక్ చిప్‌లు సంకేతాలను తరలించడానికి, ప్రాసెస్ చేయడానికి విద్యుత్‌కు బదులుగా కాంతిని ఉపయోగిస్తాయి. అవి waveguides మరియు resonant cavities వంటి సూక్ష్మ నిర్మాణాల ద్వారా ఇది చేస్తాయి. photonics అత్యంత వేగం, తక్కువ-నష్టం సంకేత నిర్వహణ, మరియు కాంపాక్ట్ ఆప్టికల్ వ్యవస్థలను సాధ్యం చేయగలదని కారణంగా ఈ విధానం ఆకర్షణీయంగా ఉంటుంది. కానీ అల్ట్రాఫాస్ట్ లేజర్‌ను చిప్‌పై అమర్చడం, సంప్రదాయ డిజైన్‌ను కేవలం చిన్నదిగా చేయడంలా కాదు.

ఈ లేజర్లు వ్యవస్థను అస్థిరం చేయకుండా తీవ్రమైన పల్స్‌లను ఉత్పత్తి చేయాలి. పెద్ద ప్రయోగశాల సెటప్‌లలో సాధారణంగా శక్తి, వేడి, టైమింగ్, మరియు ఆప్టికల్ పాథ్ డిజైన్‌ను నిర్వహించడానికి ఎక్కువ స్థలం ఉంటుంది. on-chip platforms పరిమాణం, ఆకారంపై కఠిన పరిమితులను విధిస్తాయి, మరియు ఆ పరిమితులే డిమాండ్ ఉన్న వాస్తవ-ప్రపంచ అనువర్తనాలకు తగినంత అధిక పల్స్ శక్తిని సాధించడం కష్టతరం చేశాయి.

నివేదించబడిన బ్రేక్‌థ్రూ, integrated-photonics రంగం పెద్దగా పట్టించుకోని పాత లేజర్ architecture‌ను తిరిగి పరిశీలించడం ద్వారా వచ్చింది. మూల పాఠ్యం ప్రతి డిజైన్ అంశానికి పూర్తి సాంకేతిక వివరాలు ఇవ్వదు, కానీ బృందం సాధించిన పురోగతి కేవలం మెరుగైన తయారీ గురించి మాత్రమే కాదని స్పష్టం చేస్తుంది. chip పరిమితులలో అధిక-ప్రదర్శన పల్స్ ఉత్పత్తిని మద్దతు ఇవ్వగల వ్యవస్థ architecture‌ను ఎంచుకోవడం కూడా అందులో భాగం.

చర్చను మార్చే పనితీరు

ఈ సంఖ్యలు ముఖ్యమైనవి, ఎందుకంటే అవి chip-based ultrafast lasers‌ను ప్రాయోగిక ఉపయోగానికి మరింత దగ్గర చేస్తాయి. 147 ఫెమ్టోసెకండ్ల పల్స్ వ్యవధి అంటే కాంతి బర్స్ట్ కేవలం 147 quadrillionths of a second మాత్రమే కొనసాగుతుంది. ఆ సమయ స్థాయిల్లో, ultrafast lasers సున్నితమైన భౌతిక, జీవ ప్రక్రియలను పరిశీలించగలవు, అసాధారణ ఖచ్చితత్వంతో పదార్థాలను కట్ చేయగలవు లేదా మార్చగలవు, మరియు అధునాతన పరికరాల్లో టైమింగ్ రిఫరెన్సులుగా పనిచేయగలవు.

ఇంకా, ఒక నానోజౌల్‌కు పైగా ఉన్న పల్స్ శక్తి, చిన్నదనానికి బదులుగా అవుట్‌పుట్ బలాన్ని త్యాగం చేసే సూక్ష్మీకరించిన వ్యవస్థలు సాధారణంగా ఉండే రంగంలో ప్రాముఖ్యాన్ని కలిగి ఉంది. chip-based device కేవలం చిన్నవే కాకుండా శక్తివంతమైన పల్స్‌లను కూడా ఉత్పత్తి చేయగలిగితే, అది ప్రస్తుతం పెద్ద హార్డ్‌వేర్‌పై ఆధారపడే నిర్ధారణ, ఇమేజింగ్, మరియు సమాచారం-ప్రాసెసింగ్ వ్యవస్థలకు మరింత అన్వయించదగినదిగా మారుతుంది.

మూల పాఠ్యంలో చేసిన వాదన, ఈ చిప్ ఒక్కసారిగా ప్రతి tabletop ultrafast laser‌ను భర్తీ చేస్తుందని కాదు. అలా చెప్పడం ఫలితాన్ని అతిశయపరచడం అవుతుంది. బదులుగా, on-chip performance ఇప్పుడిప్పుడే అంతటి స్థాయికి చేరుకుంటోంది, ఒకప్పుడు ల్యాబ్‌కే పరిమితమైన సామర్థ్యాలు చిన్న, తక్కువ ఖర్చుతో, సులభంగా అమర్చగల పరికరాల్లోకి మారే అవకాశాన్ని పొందుతున్నాయని చెప్పడం దాని ప్రాముఖ్యత.

ఇది పరిశ్రమల వ్యాప్తంగా ఎందుకు ముఖ్యం కావచ్చు

ultrafast lasers chip-scale components‌గా మారితే, తక్షణ ప్రభావం portability మరియు cost‌పై ఉంటుంది. ఈ లేజర్లపై ఆధారపడే అనేక వ్యవస్థలకు నేడు నియంత్రిత ల్యాబ్ లేదా ఫ్యాక్టరీ వాతావరణాలు అవసరం, అది లేజర్ కారణంగానే కాకుండా సహాయక optics మరియు alignment అవసరాల వల్ల కూడా. ఒక photonic-chip implementation ఆ సంక్లిష్టతలో కొంత భాగాన్ని తగ్గించి, మరింత సమగ్ర ఉత్పత్తులను సాధ్యం చేయవచ్చు.

అది వైద్య నిర్ధారణ మరియు ఇమేజింగ్‌కు స్పష్టమైన అవకాశాలను సృష్టిస్తుంది. ప్రస్తుతం ప్రత్యేక సదుపాయాలపై ఆధారపడే పరికరాలు చిన్నవిగా, మరింత విస్తృతంగా అందుబాటులో ఉండేవిగా మారవచ్చు. తయారీ వ్యవస్థలు మరింత కాంపాక్ట్ ఖచ్చిత-కాంతి మూలాల నుంచి లాభపడవచ్చు. advanced optical timing మరియు కొంతమంది quantum లేదా sensing platforms సహా సమాచారం-ప్రాసెసింగ్ అనువర్తనాలు కూడా వేగవంతమైన, సమగ్ర లేజర్లతో లాభపడవచ్చు.

విస్తృత పారిశ్రామిక ప్రభావం ఎలక్ట్రానిక్స్ చరిత్రలో పరిచితమైనదే: ఒక సామర్థ్యం chip-compatible అయిన క్షణంలో, ప్రయోగాలు మరియు వాణిజ్యీకరణ వేగవంతమవుతాయి. ఇంజినీర్లు కస్టమ్ ఆప్టికల్ బెంచ్‌కు బదులుగా ప్రమాణీకరించగల భాగం చుట్టూ డిజైన్ చేయగలరు. ఇది వేగంగా భారీ స్థాయి స్వీకరణను హామీ ఇవ్వదు, కానీ సాధారణంగా ఉత్పత్తి అభివృద్ధికి ఉన్న అడ్డంకిని తగ్గిస్తుంది.

పాత ఆలోచన, కొత్త ఉపయోగం

ఈ నివేదికలో అత్యంత revealing అంశాల్లో ఒకటి, ఈ బ్రేక్‌థ్రూ దశాబ్దాల పాత architecture‌పై ఆధారపడిందని. ప్రతి ముందంజ కొత్త సూత్రాన్ని ఆవిష్కరించడం ద్వారానే రాదని ఇది గుర్తు చేస్తుంది. కొన్నిసార్లు పురోగతి అంటే పాత భావనకు సరైన సందర్భాన్ని కనుగొని, దాన్ని ఆధునిక తయారీ, materials, మరియు system-level insight‌తో కలపడం.

డిజైన్ పరిమితులు మొత్తం రంగాలను నిర్దిష్ట architectures వైపు నడిపే photonics‌లో, overlooked options సంవత్సరాల పాటు నిశ్శబ్దంగా ఉండిపోవచ్చు. పరిశోధకుల విజయం, on-chip‌లో సాధ్యమని భావించిన కొన్ని ఊహాగానాలు చాలా కన్జర్వేటివ్‌గా ఉండివుండొచ్చని, లేదా కనీసం ఆధిపత్య design playbook‌కు అతిగా కట్టుబడి ఉండివుండొచ్చని సూచిస్తోంది.

తర్వాత ఏమిటి

అత్యంత ముఖ్యమైన తదుపరి ప్రశ్న ఈ ఫలితం అద్భుతమా కాదా అనేది కాదు, కానీ ఇది ప్రయోగశాల బయట కూడా నిలిచే repeatable devices‌గా ఇంజినీర్ చేయగలమా అనే దానిపై ఉంది. chip photonics‌కు manufacturability, stability, packaging, మరియు చుట్టుపక్కల వ్యవస్థలతో అనుకూలత అనేవే బలమైన paper‌ను platform technology నుండి వేరు చేస్తాయి.

అయితే, దిశ స్పష్టంగా ఉంది. ఈ పని ultrafast photonics‌ను, ఒకప్పుడు room-scale optical setups‌కు మాత్రమే కేటాయించిన పనులను కాంపాక్ట్ పరికరాలు చేయగల దశకు మరింత దగ్గర చేస్తోంది. ఇది ఉన్నత-స్థాయి measurement మరియు imaging tools‌కి యాక్సెస్‌ను, ముందున్న semiconductor advances computation‌కి యాక్సెస్‌ను విస్తరించినట్టే, విస్తరించగలదు.

• ఈ అధ్యయనం ఒక photonic chip‌పై ultrafast laser‌ను చూపించింది.
• నివేదించబడిన అవుట్‌పుట్ 147-femtosecond pulses‌తో 1.05 nanojoules వరకు చేరింది.
• ఈ డిజైన్ గతంలో గమనించని laser architecture‌పై ఆధారపడింది.
• సంభావ్య అనువర్తనాలలో diagnostics, imaging, manufacturing, మరియు information processing ఉన్నాయి.

ప్రస్తుతం, ఈ బ్రేక్‌థ్రూను పూర్తి వాణిజ్య ఉత్పత్తిగా కాకుండా ఒక threshold moment‌గా అర్థం చేసుకోవడం ఉత్తమం. కానీ పరిమాణం దీర్ఘకాలంగా విస్తృత వినియోగానికి ప్రధాన అడ్డంకులలో ఒకటిగా ఉన్న రంగంలో, ultrafast laser ఒక chip‌పై విశ్వసనీయంగా పనిచేయగలదని నిరూపించడం గణనీయమైన అడుగు. తదుపరి పని ఈ ఫలితాన్ని robust devices‌గా మార్చగలిగితే, photonic systems మరింత చిన్నవిగా, తక్కువ ఖర్చుతో, మరియు మరింత విస్తృతంగా అమర్చగలిగేవిగా మారవచ్చు.

ఈ వ్యాసం Live Science నివేదిక ఆధారంగా ఉంది. మూల వ్యాసాన్ని చదవండి.