Ultranopeat femtosekuntilaserit ovat olleet vuosikymmeniä tutkimuslaboratorioiden, leikkaussalien ja tarkkuusmittausten kalliita työkaluja. Sveitsiläisen EPFL:n tutkijat ovat nyt tuoneet tällaisen laserin fotoniikkasirulle tavalla, joka vie sirupohjaiset valonlähteet selvästi aiempaa lähemmäs laboratorioluokan suorituskykyä.
Nature-lehdessä julkaistussa työssä Tobias J. Kippenbergin johtama tutkimusryhmä esittelee integroidun ultranopean laserin, joka tuottaa 1,05 nanojoulen pulsseja. Pulssien kesto voidaan puristaa 147 femtosekuntiin. Femtosekunti on sekunnin biljardisosa, joten kyse on äärimmäisen lyhyistä valon välähdyksistä.
Tällaisia pulsseja käytetään muun muassa tarkassa mikrokoneistuksessa, silmäkirurgiassa, spektroskopiassa ja optisissa taajuuskammoissa. Taajuuskammat ovat teknologiaa, jonka varaan nykyiset kaikkein tarkimmat optiset atomikellot rakentuvat. Ongelmana on ollut se, että ultranopeat laserit ovat yleensä vaatineet suuria ja kalliita optisia pöytiä.
EPFL:n ratkaisu perustuu fotoniikkasiruun, jossa valo kulkee piille tai vastaavalle alustalle kuvioiduissa mikroskooppisissa aaltoputkissa. Tutkijat käyttivät erbiumilla seostettua piinitridialustaa ja laserarkkitehtuuria, joka tunnetaan Mamyshev-oskillaattorina.
Oskillaattorissa epälineaarinen aaltoputki sijoitetaan kahden optisen suodattimen väliin. Suodattimet päästävät läpi eri osia valon spektristä. Kun riittävän voimakas pulssi kulkee aaltoputken läpi, sen spektri levenee niin paljon, että osa valosta pääsee molempien suodattimien läpi ja jatkaa kiertoaan onkalossa. Heikko valo ei levene tarpeeksi, joten se suodattuu pois.
Sirulla laseronkalon kokonaispituus on 42 senttiä, mutta se voidaan taittaa tulitikunpään kokoiselle alueelle. Tämä on ratkaisevaa, koska fotoniikkapiirejä voidaan valmistaa kiekkotasolla samaan tapaan kuin puolijohdepiirejä. EPFL:n mukaan yhdellä valmistuskierroksella voitaisiin tuottaa yli tuhat onkaloa.
Tutkijoiden mukaan sirun huipputeho yltää kilowattitasolle. Se avaa tietä sovelluksiin, jotka ovat tähän asti vaatineet suuria ja kalliita laboratoriolasereita. Mahdollisia käyttökohteita ovat esimerkiksi ympäristön epäpuhtauksien mittaus, materiaalien piilevien vikojen havaitseminen, lääketieteellinen diagnostiikka ja kompaktit optiset atomikellot tulevaisuuden viestintä- ja navigointijärjestelmiin.
Tekoäly, kehittyneet yhteydet ja tietoturva muuttavat sulautettujen järjestelmien arkkitehtuureja. Laskentateho kasvaa nopeasti samaan aikaan, kun laitteiden fyysinen koko pienenee. Tietoturva, datan hallinta ja uudet säädökset lisäävät vaatimuksia niin yhteyksille kuin suunnittelullekin. Samalla laitevalmistajat pyrkivät nopeuttamaan tuotekehitys- ja testaussyklejään.