THUỴ SĨ – Các nhà nghiên cứu tại đại học EPFL (Swiss federal institute of technology Lausanne) đã chế tạo thành công một vi mạch quang tử (photonic chip) (*) có hiệu năng tương đương với các hệ thống laser lớn trong phòng thí nghiệm. Thiết bị này có khả năng phát ra các xung ánh sáng năng lượng cao với thời gian cực ngắn, có tiềm năng phát triển các công nghệ như chẩn đoán y tế và đồng hồ nguyên tử quang học. (*) Photonic chip: là một mạch tích hợp sử dụng các hạt ánh sáng (photon) thay vì các hạt điện tử (electron) để xử lý, truyền tải và điều khiển thông tin.
Laser siêu nhanh (ultrafast laser) có thể phát ra các xung ánh sáng chỉ kéo dài vài trăm femtola giây (1 femto giây = một phần triệu tỷ giây). Những tia chớp ánh sáng này là nguồn động lực cho nhiều ứng dụng công nghệ hiện đại, từ gia công vi mô chính xác, phẫu thuật mắt đến các lược tần số quang học (optical frequency comb) (*), công nghệ đạt giải Nobel đứng sau những chiếc đồng hồ nguyên tử quang học chính xác nhất hiện nay. Tuy nhiên, dù đã trải qua hơn hai thập kỷ nghiên cứu, các hệ thống laser siêu nhanh phần lớn vẫn là những cỗ máy cồng kềnh, đắt đỏ và chỉ có thể đặt cố định trên các bàn quang học trong phòng thí nghiệm. (*) Optical frequency comb: là một công nghệ quang học tạo ra một tập hợp rất lớn các tần số ánh sáng cực kỳ chính xác và cách đều nhau.
Một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Tobias J. Kippenberg tại đại học EPFL dẫn đầu đã đưa được hệ thống này lên một vi mạch quang tử. Công bố trên tạp chí Nature, các nhà nghiên cứu đã thông báo về loại laser siêu nhanh tích hợp đầu tiên đạt hiệu năng tương đương với các hệ thống laser femtola giây để bàn, cung cấp mức năng lượng 1,05 nanojoule với độ dài xung cực ngắn, chỉ 147 femtola giây.
Các vi mạch quang tử điều hướng và xử lý ánh sáng thông qua các kênh siêu nhỏ gọi là ống dẫn sóng (waveguides) được khắc trên một tấm bán dẫn (wafer), tương tự như cách các vi mạch điện tử điều hướng dòng điện. Dù đã được sử dụng rộng rãi trong ngành viễn thông, chip quang tử vẫn liên tục được thu nhỏ để tích hợp các chức năng phức tạp vốn từng yêu cầu những hệ thống lớn hơn.
Giáo sư Kippenberg chia sẻ: “Trong hơn 20 năm qua, việc tích hợp một laser femtola giây năng lượng xung cao lên chip luôn được xem là thách thức lớn nhất của ngành quang tử tích hợp. Kết quả của nhóm nghiên cứu chứng minh rằng điều này không những khả thi, mà còn có thể đạt được bằng một kiến trúc tinh gọn mà cộng đồng quang tử tích hợp từng vô tình bỏ qua.”
Ứng dụng lại một thiết kế laser Nhóm nghiên cứu tại đại học EPFL đã ứng dụng lại một thiết kế laser trước đây có tên là bộ dao động Mamyshev (Mamyshev oscillator) (*). Bên trong khoang laser, một ống dẫn sóng phi tuyến tính được đặt xen giữa hai bộ lọc quang học, mỗi bộ lọc chỉ cho phép một phần dải phổ màu sắc khác nhau đi qua. Khi một xung ánh sáng mạnh truyền qua ống dẫn sóng, nó sẽ bị mở rộng thành một dải màu rộng hơn, cho phép một phần của xung vượt qua cả hai bộ lọc và tiếp tục tuần hoàn. Ngược lại, những ánh sáng yếu không đủ độ mở rộng phổ sẽ bị loại bỏ. (*) Mamyshev oscillator: là một loại laser sợi quang xung siêu ngắn sử dụng hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang kết hợp với các bộ lọc quang phổ để tạo ra các xung laser cực ngắn, cực mạnh và ổn định.
Ông Zheru Qiu, đồng tác giả của nghiên cứu, giải thích: “Thiết kế này đặc biệt vì nó không yêu cầu bất kỳ linh kiện phức tạp nào để chế tạo trên chip silicon nitride pha tạp erbium này”.
Laser siêu nhanh dựa trên chip của nhóm nghiên cứu tại đại học EPFL đang hoạt động trong thiết lập thử nghiệm phòng thí nghiệm. Thiết bị này tạo ra các xung laser cực ngắn trực tiếp trên chip quang tử.
Laser siêu nhỏ, phạm vi tác động rộng Trên vi mạch, khoang laser dài 42 cm có thể được cuộn gọn trong một không gian chỉ bằng đầu bao diêm, nhỏ hơn rất nhiều so với các hệ thống laser dựa trên sợi quang. Vì những chip quang tử này có thể được sản xuất hàng loạt trên quy mô tấm bán dẫn (wafer), tương tự như sản xuất chip máy tính, nên hơn 1.000 khoang laser có thể được chế tạo cùng một lúc. Điều này mang lại tiềm năng sản xuất laser siêu nhanh với chi phí thấp phục vụ cho các lĩnh vực cảm biến, quang phổ và đo lường học. Ông Zheru Qiu cho biết: “Với công suất đỉnh đến hàng kilowatt, chip có thể đáp ứng các ứng dụng phức tạp vốn phụ thuộc vào các hệ thống laser phòng thí nghiệm lớn và đắt tiền.
Thành tựu này có tiềm năng phát triển các công cụ cầm tay, giá thành hợp lý giúp phát hiện chất ô nhiễm, phát hiện các khuyết tật ẩn sâu trong vật liệu và thực hiện chẩn đoán y tế; đồng thời mở đường cho các đồng hồ nguyên tử quang học nhỏ gọn phục vụ cho hệ thống thông tin liên lạc và định vị tương lai.
Để xem các tin bài khác về “Laser siêu nhanh”, hãy nhấn vào đây.
Nguồn: Electronics Online
