Ultrafast laser op een chip brengt laboratoriumprestaties naar millimeterschaal

Onderzoekers hebben een ultrakorte-pulslaser ontwikkeld die volledig op een fotonische chip is geïntegreerd. Hij levert prestaties die vergelijkbaar zijn met veel grotere laboratoriumlasers, terwijl het systeem slechts millimeters groot is. De ontwikkeling kan de weg vrijmaken voor compactere meetinstrumenten, medische diagnostiek en optische atoomklokken.

Ultrafast lasers genereren lichtpulsen van slechts enkele honderden femtoseconden (10^-15 seconde). Deze extreem korte pulsen worden gebruikt voor precisiebewerkingen, oogchirurgie, spectroscopie en optische frequentiekammen, die de basis vormen van de nauwkeurigste atoomklokken ter wereld. Tot nu toe vereisten dergelijke lasers doorgaans omvangrijke opstellingen met optische componenten op laboratoriumtafels. Het team van de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) wist deze functionaliteit te integreren op een fotonische chip.

Prestaties op het niveau van tafelmodellen

Volgens de onderzoekers produceert de chip pulsen met een energie van 1,05 nanojoule en een pulsduur van slechts 147 femtoseconden. Daarmee komt de prestatie in de buurt van conventionele femtosecondelasers die veel groter en duurder zijn.

Een belangrijk aspect is dat de laser gebruikmaakt van een zogeheten Mamyshev-oscillator. Deze architectuur gebruikt een niet-lineaire golfgeleider tussen twee optische filters die verschillende delen van het spectrum doorlaten. Sterke pulsen verbreden spectraal en kunnen blijven circuleren in de resonator, terwijl ongewenste zwakke signalen worden onderdrukt. Hierdoor ontstaat een stabiele bron van ultrakorte lichtpulsen.

Opgevouwen laserresonator

Hoewel de laserresonator op de chip een effectieve lengte heeft van circa 42 centimeter, wordt deze via geïntegreerde golfgeleiders opgevouwen tot een oppervlak ter grootte van een luciferkop. Dit maakt een enorme miniaturisatie mogelijk ten opzichte van glasvezel- of bulkoptische lasersystemen.

Daarnaast kan de chip met bestaande waferproductietechnieken worden vervaardigd. Volgens EPFL zouden meer dan duizend laserresonatoren tegelijkertijd op één wafer geproduceerd kunnen worden, wat de productiekosten aanzienlijk verlaagt.

Kansen voor industrie en meettechniek

De onderzoekers verwachten toepassingen in draagbare spectroscopiesystemen, chemische detectie, medische diagnostiek en precisiesensoren. Ook voor optische atoomklokken en toekomstige navigatiesystemen kan de technologie interessant zijn. Dankzij piekvermogens op kilowattniveau blijft de chip geschikt voor toepassingen die voorheen afhankelijk waren van omvangrijke laboratoriumlasers.