Thiết bị mới mở ra cánh cửa ứng dụng trong truyền thông, điện toán lượng tử, thiên văn học.
Laser xung Femto giây — phát ra ánh sáng trong các vụ nổ cực nhanh kéo dài một phần triệu của một phần tỷ giây — là những công cụ mạnh mẽ được sử dụng trong nhiều ứng dụng từ y học và sản xuất, đến cảm biến và phép đo chính xác về không gian và thời gian. Ngày nay, những tia la-de này thường là những hệ thống đặt trên bàn đắt tiền, hạn chế việc sử dụng chúng trong các ứng dụng có giới hạn về kích thước và mức tiêu thụ điện năng.
Nguồn xung femto giây trên chip sẽ mở khóa các ứng dụng mới trong điện toán lượng tử và quang học, thiên văn học, truyền thông quang học, v.v. Tuy nhiên, đó là một thách thức để tích hợp các tia laser xung có thể điều chỉnh và hiệu quả cao vào chip.
>> Tham khảo: Các nhà nghiên cứu đề xuất khuôn khổ mới để điều chỉnh cây trồng biến đổi gen.
Giờ đây, các nhà nghiên cứu từ Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng Harvard John A. Paulson (SEAS) đã phát triển một nguồn xung femto giây trên chip, hiệu suất cao bằng cách sử dụng một công cụ có vẻ như không có trong khoa học viễn tưởng: thấu kính thời gian.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature.
Marko Lonōar, Giáo sư Kỹ thuật Điện Tiantsai Lin tại SEAS và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Các tia laser xung tạo ra các xung ngắn, cường độ cao bao gồm nhiều màu sắc ánh sáng vẫn còn lớn. “Để làm cho các nguồn này trở nên thiết thực hơn, chúng tôi đã quyết định thu nhỏ một phương pháp nổi tiếng, được sử dụng để hiện thực hóa các nguồn femto giây thông thường — và lớn, tận dụng nền tảng quang tử tích hợp hiện đại mà chúng tôi đã phát triển. Điều quan trọng là, chip của chúng tôi là được tạo ra bằng cách sử dụng các kỹ thuật chế tạo vi mô giống như các kỹ thuật được sử dụng để sản xuất chip máy tính, đảm bảo không chỉ giảm chi phí và kích thước, mà còn cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của các nguồn femto giây của chúng tôi.”
Các thấu kính truyền thống, như kính áp tròng hoặc những loại được tìm thấy trong kính lúp và kính hiển vi, bẻ cong các tia sáng phát ra từ các hướng khác nhau bằng cách thay đổi pha của chúng để chúng chạm vào cùng một vị trí trong không gian – tiêu điểm.
>> Tham khảo: Hình ảnh X-quang do AI tạo ra đã đánh lừa các chuyên gia y tế và cải thiện phân loại viêm xương khớp.
Mặt khác, các thấu kính thời gian “bẻ cong” các chùm ánh sáng theo những cách tương tự — nhưng chúng làm thay đổi pha của các chùm ánh sáng theo thời gian chứ không phải theo không gian. Bằng cách này, các màu khác nhau của ánh sáng truyền đi với tốc độ khác nhau được định thời gian lại sao cho chúng chạm vào mặt phẳng tiêu điểm cùng một lúc.
Hãy tưởng tượng một cuộc đua ô tô, trong đó mỗi màu ánh sáng là một ô tô khác nhau. Đầu tiên, ống kính thời gian xen kẽ thời gian xuất phát của mỗi ô tô, sau đó đặt tốc độ của chúng để chúng về đích cùng một lúc.
Để tạo ra các xung femto giây, thiết bị của nhóm sử dụng một loạt ống dẫn sóng quang học, bộ ghép nối, bộ biến điệu và cách tử quang học trên nền tảng lithium niobate do phòng thí nghiệm của Lonōar tiên phong.
Nhóm nghiên cứu bắt đầu bằng cách truyền một chùm tia laser một màu, sóng liên tục qua một bộ điều biến biên độ giúp kiểm soát lượng ánh sáng đi qua thấu kính thời gian, một chức năng tương tự như khẩu độ trong một thấu kính thông thường. Sau đó, ánh sáng truyền qua phần “uốn cong” của thấu kính, một bộ điều biến pha trong trường hợp này, nơi tạo ra một tổ hợp tần số có các màu khác nhau. Quay trở lại trường hợp tương tự với ô tô, bộ điều biến pha tạo ra và sau đó giải phóng những chiếc ô tô có màu sắc khác nhau tại các thời điểm xuất phát khác nhau.
>> Tham khảo: Liên kết oxy hóa không có chất xúc tác của flavon trong nước kiềm cấp thực phẩm.
Sau đó, thành phần cuối cùng của laser đi vào — một lưới xương cá dọc theo ống dẫn sóng. Cách tử thay đổi tốc độ của các màu ánh sáng khác nhau để đưa tất cả chúng thẳng hàng với nhau, ngang ngửa nhau trong cuộc đua, sao cho chúng về đích (hoặc mặt phẳng tiêu điểm) cùng một lúc
Bởi vì thiết bị kiểm soát tốc độ di chuyển của các bước sóng khác nhau và khi chúng chạm vào mặt phẳng tiêu cự, nên thiết bị sẽ biến đổi hiệu quả chùm tia laze một màu, liên tục thành nguồn xung băng thông rộng, cường độ cao có thể tạo ra các chùm tia cực nhanh, 520 femto giây.
Thiết bị này có khả năng điều chỉnh cao, được tích hợp trên một con chip 2cm x 4mm và do các đặc tính quang điện của lithium niobate nên yêu cầu giảm điện năng đáng kể so với các sản phẩm để bàn.
Mengjie Yu, cựu nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại SEAS và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi đã chỉ ra rằng quang tử tích hợp mang lại những cải tiến đồng thời về mức tiêu thụ năng lượng và kích thước. “Không có sự đánh đổi nào ở đây; bạn tiết kiệm năng lượng đồng thời tiết kiệm không gian. Bạn chỉ nhận được hiệu suất tốt hơn khi thiết bị ngày càng nhỏ hơn và được tích hợp nhiều hơn. Hãy tưởng tượng — trong tương lai, chúng ta có thể mang theo xung laze xung femto giây trong túi của mình để cảm nhận trái cây tươi như thế nào hoặc theo dõi sức khỏe của chúng ta trong thời gian thực, hoặc trong ô tô của chúng ta để đo khoảng cách.”
>> Tham khảo: Nghiên cứu cho thấy trồng cây có thể cứu mạng sống.
Yu hiện là Trợ lý Giáo sư tại Đại học Nam California.
Tiếp theo, nhóm đặt mục tiêu khám phá một số ứng dụng cho cả bản thân laser và công nghệ thấu kính thời gian, bao gồm cả trong các hệ thống thấu kính như kính thiên văn cũng như xử lý tín hiệu cực nhanh và mạng lượng tử.
Văn phòng Phát triển Công nghệ của Harvard đã bảo vệ tài sản trí tuệ phát sinh từ những đổi mới của Phòng thí nghiệm Loncar trong các hệ thống lithium niobate. Loncar là người đồng sáng lập HyperLight Corporation, một công ty khởi nghiệp được thành lập để thương mại hóa các chip quang tử tích hợp dựa trên một số đổi mới được phát triển trong phòng thí nghiệm của ông.
Nghiên cứu là sự hợp tác giữa Harvard, HyperLight, Đại học Columbia và Freedom Photonics.
Bài báo được đồng tác giả bởi David Barton, Rebecca Cheng, Christian Reimer, Prashanta Kharel, Lingyan He, Linbo Shao, Di Zhu, Yaowen Hu, Hannah R. Grant, Leif Johansson, Yoshitomo Okawachi, Alexander L. Gaeta và Mian Zhang.
Nó được hỗ trợ bởi Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng (HR0011-20-C-0137), Văn phòng Nghiên cứu Quân đội (W911NF2010248), Văn phòng Nghiên cứu Hải quân (N00014-18-C-1043) và Văn phòng Nghiên cứu Khoa học Không quân (FA9550- 19-1-0376 và FA9550-20-1-0297).
