Harvardští vědci společně s výzkumníky z TU Wien vytvořili průlomový polovodičový laser, který nabízí široké možnosti ladění v kompaktním čipovém provedení. Nový systém je výsledkem dlouholeté spolupráce a může v budoucnu nahradit řadu stávajících typů laditelných laserů. Díky vysoké přesnosti, snadné výrobě a odolnosti vůči prostředí má potenciál uplatnění v telekomunikačních sítích, zdravotnictví i průmyslové detekci plynů.

Na rozdíl od dosavadních řešení, která často spoléhají na složité mechanické části nebo dosahují jen omezeného ladicího rozsahu, nový laser spojuje to nejlepší z obou světů – stabilitu a jednoduchost. Základ tvoří soustava drobných prstenců, z nichž každý emituje jinou vlnovou délku.

Prstencový design bez pohyblivých částí

Zásadní inovací je architektura tvořená soustavou mikroskopických prstencových rezonátorů, které jsou propojeny do společného vlnovodu. Každý prstenec má jiný rozměr a tedy jinou rezonanci – právě tím je možné hladce a přesně přeladit vlnovou délku výstupního laserového paprsku.

Díky absenci pohyblivých částí se laser nejen méně porouchává, ale také odolává destabilizaci vlivem optické zpětné vazby, která běžně komplikuje provoz tradičních typů. Prstence vyzařují pouze jedním směrem – buď po směru, nebo proti směru hodinových ručiček – a tím eliminují odrazy světla zpět do zdroje.

„Upravujeme velikost prstence a tím přesně cílíme na požadovanou vlnovou délku,“ vysvětluje spoluautor Theodore Letsou z Harvardu. „Díky propojení všech prstenců do jednoho vlnovodu dostaneme na výstupu koherentní paprsek, který se může ladit napříč širokým spektrem.“

Spolupráce Harvardu a TU Wien nese ovoce

Projekt vznikl na půdě Harvard School of Engineering and Applied Sciences pod vedením profesora Federica Capassa, známého mimo jiné jako spoluvynálezce kvantového kaskádového laseru. Na vývoji se podílel i profesor Benedikt Schwarz z TU Wien, který s Capassovým týmem dlouhodobě spolupracuje.

Zdroj: Shutterstock

Zařízení zatím pracuje v oblasti středního infračerveného spektra, kde se nachází i kaskádové lasery. Ale stejný princip lze přenést i do dalších oblastí – například viditelného světla pro zdravotnické aplikace nebo infračerveného pásma používaného v telekomunikacích.

Laser vyvíjeli i vyráběli studenti a výzkumníci v čistých prostorách TU Wien. „Celé zařízení je velmi jednoduché na výrobu – žádné mechanické prvky, malý půdorys, stabilní výkon,“ shrnuje spoluautor Johannes Fuchsberger.

Široké spektrum použití: od vláken po plyny

Nový laser by mohl v budoucnu nahradit hned několik dosud používaných technologií. Například distribuované zpětnovazební lasery se používají pro optické přenosy v telekomunikačních sítích, ale mají omezený ladicí rozsah. Naopak lasery s externí dutinou sice nabízí široké ladění, ale obsahují pohyblivé prvky a mívají méně stabilní výstup.

Právě v oblasti senzoriky by nový laser mohl přinést zlom. Například při detekci plynných látek, jako je metan nebo oxid uhličitý, je potřeba velmi přesně zacílit na konkrétní absorpční pásma. Dosud to bylo možné jen s drahými nebo těžko škálovatelnými řešeními.

Jednoduchá výroba, obrovský potenciál

Autoři článku publikovaného v časopise Optica doufají, že jejich laser najde uplatnění i v komerční sféře. Práva na technologii jsou již chráněna ve spolupráci s Harvard Office of Technology Development a Patentovým oddělením TU Wien. Vývoj podpořilo americké Ministerstvo obrany a Národní vědecká nadace (NSF).

Výzkum ukazuje, že i miniaturní zařízení může přinést změnu v celém oboru. Prstencový laser, který se vejde na čip a přitom zvládá úkoly dosud vyhrazené objemným a drahým systémům, je důkazem, že spojení jednoduchosti s chytrým návrhem dokáže velké věci.