Creato il primo laser autonomo basato su chip che pulsa nell'infrarosso medio-ideale per il rilevamento e l'imaging avanzati di gas. Questa innovazione potrebbe alimentare gli strumenti di prossima generazione per la scienza e l'assistenza sanitaria del clima
Laser delle dimensioni di un chip abbastanza luminoso da mappare mondi invisibili.
I fisici della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno creato un laser compatto che emette impulsi di luce estremamente luminosi, brevi in una gamma di lunghezze d'onda utili ma difficili da affrontare, imballando le prestazioni di dispositivi fotonici più grandi su un singolo chip.
Pubblicato in Nature (1), la ricerca è la prima dimostrazione di un generatore di impulsi laser a chip, picosecondo, a medio infrarossi che non richiede componenti esterni per funzionare. Il dispositivo può rendere quello che viene chiamato un pettine di frequenza ottica, uno spettro di luce costituito da linee di frequenza equidistanti (come un pettine), utilizzate oggi in misurazioni di precisione. Il nuovo chip laser potrebbe un giorno accelerare la creazione di sensori di gas altamente sensibili e ad ampio spettro per il monitoraggio ambientale o nuovi tipi di strumenti di spettroscopia per l'imaging medico.
L'autore senior del documento è Federico Capasso (2), il professore di Physics Applied Physics di Robert L. Wallace e il Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering. Supportata dalla National Science Foundation e dal Dipartimento della Difesa, la ricerca è stata una collaborazione con il gruppo Schwarz presso la Vienna University of Technology (TU Wien); un consorzio di scienziati italiani guidati da Luigi A. Lugiato; e Leonardo DRS Daylight Solutions guidate da Timothy Day.
«Questa è una nuova entusiasmante tecnologia che integra la fotonica non lineare su chip per generare impulsi di luce UltraShort nel medio infrarossi; fino ad ora non esisteva nulla di simile», ha detto il dottor Capasso. «Inoltre, tali dispositivi possono essere prontamente prodotti nelle fonderie laser industriali utilizzando la fabbricazione standard dei semiconduttori».
L'infrarosso medio è una sezione invisibile dello spettro elettromagnetico che viene sfruttato oggi in applicazioni ambientali. Poiché molte molecole di gas come l'anidride carbonica e il metano assorbono in modo efficiente la luce a medio infrarosso, questa gamma di lunghezze d'onda è stata uno strumento importante per monitorare i gas ambientali, in particolare con la tecnologia laser a cascata quantistica che è stata introdotta da Capasso negli anni '90.
Il nuovo documento dimostra un percorso per generare una sorgente di luce a banda larga che potrebbe rilevare, ad esempio, Molte impronte digitali di gas di assorbimento diverse in un singolo dispositivo.
«È un passo fondamentale per creare quella che chiamiamo una fonte di supercontinuum, che può generare migliaia di diverse frequenze di luce, tutte in un unico chip», ha affermato Dmitry Kazakov (3), autore e associato di ricerca nel gruppo di Capasso. «Penso che sia una possibilità reale per il futuro di questa piattaforma».
Fondamentale per la nuova impresa dell'ingegneria nanofotonica è il laser a cascata quantistica, che genera raggi coerenti di luce a medio infrarosso mettendo insieme diversi materiali semiconduttori nanostrutturati. A differenza di altri laser a semiconduttore, che hanno fatto affidamento per decenni su tecniche ben consolidate chiamate mode-locking per generare i loro impulsi, i laser a cascata quantistica emettono degli impulsi notoriamente particolari a causa della loro dinamica intrinsecamente ultra-veloce. I generatori di impulsi a medio infrarosso esistenti basati su laser a cascata quantistica richiedono in genere configurazioni complesse per ottenere emissioni pulsate e molti componenti hardware discreti. Sono anche generalmente limitati a una determinata potenza di uscita e larghezza di banda spettrale.
Il nuovo generatore di impulsi si combina senza soluzione di continuità, in un singolo dispositivo, diversi concetti in fotonica integrata non lineari e laser integrati per realizzare tipi specifici di impulsi di luce in picosecondi chiamati solitoni. Nel progettare la loro architettura CHIP, i ricercatori hanno preso ispirazione da un tipo apparentemente non correlato di dispositivo di modulazione leggera chiamato Kerr Microresonator. Il loro pensiero creativo ha permesso loro di aggirare le tecniche tradizionali, come il blocco della modalità, per la generazione di impulsi.
«Le nostre misurazioni non sono state tradizionali quando si è trattato di ricerche sul laser a cascata quantistica», ha affermato l'autore Theodore Leteu (4), uno studente laureato presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT) e ricercatore nel gruppo di Capasso. «Abbiamo unito due tipi di campi e abbiamo preso ciò che fa il risonatore Kerr applicandolo ai nostri sistemi. È stato un processo entusiasmante».
«Per me, l'impatto più significativo del nostro nuovo lavoro - al di là della fisica - è la fiducia che ci ha dato nella fabbricazione e nella gestione delle architetture multicomponenti, che è rimasta una grande sfida nella fotonica integrata a metà infrarosso fino ad ora», ha affermato il co-autore della ricerca Benedikt Schwarz (5), della TU Wien. «Stiamo già sviluppando nuove architetture per consentire alle funzionalità precedentemente ritenute impossibili».
I ricercatori hanno attinto a una teoria fondamentale pubblicata negli anni '80 che ha istituito un quadro per i risonatori passivi di Kerr. Uno dei co-autori del nuovo documento è il dottor Luigi Lugiato (6), che ha lavorato per riproporre la sua equazione originale con l'intento di descrivere le dinamiche del mid-IR laser system.
«Questo è un entusiasmante culmine di un viaggio che è iniziato con l'equazione di Lugiato-Lefever», ha dichiarato Lugiato, professore emerito dell'Università di Insubria, in Italia. «Ciò che è iniziato come modello per i sistemi passivi si è evoluto in un quadro unificato per pettini di frequenza solitonica in tutti i tipi di cavità. Quel percorso ci ha portato a prevedere i solitoni nei laser a cascata quantistica guidati otticamente sopra la soglia - ora confermata da questo esperimento».
Il nuovo laser a medio infrarosso può mantenere in modo affidabile la generazione di impulsi per ore alla volta. Fondamentalmente, può anche essere prodotto in serie utilizzando processi di fabbricazione industriale esistenti, che potrebbero aumentare notevolmente la velocità della sua diffusa adozione. Il dispositivo è realizzato in un risonatore ad anello che può essere guidato esternamente; un laser su chip che guida il risonatore dell'anello; e un secondo risonatore ad anello attivo che funge da filtro.
«Questa tecnologia promette di essere un vero punto di svolta nel campo della spettroscopia a medio infrarosso», ha dichiarato il co-autore della ricerca Timothy Day, vicepresidente senior e direttore generale della business unit di Leonardo Drs Daylight Solutions. «La capacità di sfruttare i processi di fabbricazione esistenti per produrre questi dispositivi in volumi commerciali potrebbe davvero consentire ciò che è il prossimo in diversi mercati, tra cui il monitoraggio ambientale, il controllo dei processi industriali, la ricerca sulle scienze della vita e la diagnostica medica».
La ricerca si basa sul lavoro supportato dalla National Science Foundation under Grant No. ECCS2221715. Altre fonti di finanziamento includono il Department of Defense attraverso il National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship Program, e l'European Research Council. L'ufficio di sviluppo tecnologico di Harvard ha protetto le innovazioni associate a questa ricerca e sta esplorando opportunità commerciali. Altri coautori dell'articolo sono Marco Piccardo, Lorenzo L. Columbo, Massimo Brambilla, Franco Prati, Sandro Dal Cin, Maximilian Beiser, Nikola Opačak, Patra Ratra, Michael Pushkarsky e David Caffey.
Riferimenti:
(1) Driven bright solitons on a mid-infrared laser chip
(2) Federico Capasso
(3) Dmitry Kazakov
(4) Theodore Leteu
(5) Benedikt Schwarz
(6) Luigi Lugiato
Descrizione foto: Creazione artistica dei chip laser a medio infrarosso con percorsi di luce che collegano i componenti. - Credit: Runke Luo.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: A compact, mid-infrared pulse generator