Tia laser đã làm nên cuộc cách mạng thế giới kể từ những năm 1960 và hiện là công cụ không thể thiếu cho các ứng dụng hiện đại, từ phẫu thuật tiên tiến và sản xuất chính xác đến truyền dữ liệu qua sợi quang.
Nhưng khi nhu cầu về ứng dụng laser tăng lên, thì thách thức cũng tăng theo. Ví dụ, có một thị trường đang phát triển cho laser sợi quang, hiện được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng cắt, hàn và đánh dấu công nghiệp.
Laser sợi quang sử dụng sợi quang pha tạp các nguyên tố đất hiếm (erbi, ytterbi, neodymium, v.v.) làm nguồn khuếch đại quang (bộ phận tạo ra ánh sáng laser). Laser sợi quang phát ra chùm tia chất lượng cao với công suất đầu ra cao, hiệu suất cao, ít bảo trì, độ bền và thường nhỏ hơn laser khí. Laser sợi quang cũng là "tiêu chuẩn vàng" cho nhiễu pha thấp, nghĩa là chùm tia của chúng có thể ổn định trong thời gian dài.
Mặc dù vậy, nhu cầu thu nhỏ laser sợi quang quy mô chip ngày càng tăng. Laser sợi quang dựa trên Erbium đặc biệt được quan tâm vì chúng đáp ứng mọi yêu cầu để duy trì tính nhất quán và độ ổn định cao của laser. Tuy nhiên, làm thế nào để duy trì hiệu suất của laser sợi quang ở quy mô nhỏ vẫn là một thách thức đối với laser sợi quang thu nhỏ.
Hiện nay, các nhà khoa học do Tiến sĩ Yang Liu và Giáo sư Tobias Kippenberg tại EPFL dẫn đầu đã chế tạo ra các laser dẫn sóng pha tạp erbium tích hợp chip đầu tiên có hiệu suất gần bằng laser sợi quang, đồng thời kết hợp tiện ích của khả năng điều chỉnh bước sóng rộng và tích hợp quang tử quy mô chip. Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Photonics.
Xây dựng các tia laser cỡ chip
Các nhà nghiên cứu đã phát triển laser erbium cỡ chip bằng quy trình chế tạo hiện đại. Đầu tiên, họ chế tạo một khoang quang học trên chip dài một mét (một bộ gương cung cấp phản hồi quang học) dựa trên mạch tích hợp quang tử silicon nitride có độ tổn thất cực thấp.
Tiến sĩ Yang Liu cho biết, "Mặc dù kích thước chip nhỏ gọn, chúng tôi vẫn có thể thiết kế khoang laser dài một mét nhờ tích hợp các bộ cộng hưởng microvia, giúp mở rộng đường dẫn quang học một cách hiệu quả mà không cần phải mở rộng thiết bị về mặt vật lý".
Sau đó, nhóm nghiên cứu cấy một nồng độ cao các ion erbium vào mạch để tạo ra môi trường tăng cường hoạt động cần thiết cho quá trình phát laser. Cuối cùng, họ tích hợp mạch với laser bán dẫn nhóm III-V để kích thích các ion erbium phát ra ánh sáng và tạo ra chùm tia laser.
Để cải thiện hiệu suất của tia laser và đạt được khả năng kiểm soát bước sóng chính xác, các nhà nghiên cứu đã thiết kế một khoang bên trong sáng tạo với bộ lọc dựa trên Vernier có lỗ siêu nhỏ, một bộ lọc quang học cho phép lựa chọn tần số quang học cụ thể.
Bộ lọc này cho phép điều chỉnh động bước sóng laser trên một phạm vi rộng các bước sóng, làm cho nó linh hoạt và phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau. Thiết kế này hỗ trợ laser chế độ đơn ổn định với độ rộng đường truyền bên trong hẹp ấn tượng chỉ 50 Hz.
Nó cũng có tính năng triệt tiêu chế độ bên đáng kể, trong đó tia laser có thể phát ra ánh sáng ở một tần số duy nhất, ổn định trong khi giảm thiểu cường độ của các tần số khác ("chế độ bên"). Điều này đảm bảo đầu ra "sạch" và ổn định trên toàn bộ dải quang phổ cho các ứng dụng có độ chính xác cao.
Hình ảnh quang học của laser tích hợp lai dựa trên mạch tích hợp quang tử pha tạp erbium, mang lại tính nhất quán của laser sợi quang và khả năng điều chỉnh tần số trước đây không thể đạt được.
Công suất, Độ chính xác, Độ ổn định và Độ ồn thấp
Tia laser sợi quang erbium có kích thước chip có công suất đầu ra hơn 10 mW và tỷ lệ loại bỏ chế độ phụ hơn 70 dB, vượt trội hơn nhiều hệ thống thông thường.
Nó cũng có độ rộng vạch phổ rất hẹp, nghĩa là ánh sáng mà nó phát ra rất tinh khiết và ổn định, điều này rất quan trọng đối với các ứng dụng liên kết như cảm biến, con quay hồi chuyển, LIDAR và phép đo tần số quang học.
Bộ lọc Vernier dựa trên khẩu độ nhỏ cho phép laser có khả năng điều chỉnh bước sóng rộng 40 nm ở cả băng tần C và băng tần L (phạm vi bước sóng được sử dụng cho viễn thông), vượt trội hơn laser sợi quang thông thường về cả khả năng điều chỉnh và số liệu đo xung phổ thấp ("xung" là tần số không mong muốn), đồng thời vẫn tương thích với các quy trình sản xuất chất bán dẫn hiện tại.
Laser thế hệ tiếp theo
Việc thu nhỏ và tích hợp laser sợi quang erbium vào các thiết bị có kích thước chip giúp giảm tổng chi phí, cho phép sử dụng trong các hệ thống di động, tích hợp cao trong viễn thông, chẩn đoán y tế và điện tử tiêu dùng.
Nó cũng có thể thu nhỏ công nghệ quang học để phục vụ nhiều ứng dụng khác, chẳng hạn như LIDAR, quang tử vi sóng, tổng hợp tần số quang học và truyền thông không gian tự do.
