DOI: https://doi.org/10.1038/s41566-024-01388-0
تاريخ النشر: 2024-02-09
المؤلف: Neetesh Singh وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا الليزر الألياف المتقدمة
نظرة عامة
يتناول قسم ورقة البحث التقدم في توليد نبضات ضوئية عالية الطاقة على نطاق الرقاقة، لا سيما في سياق الفوتونيات المتكاملة للتطبيقات في الفضاء والطب. تواجه تقنيات التبديل الكمي التقليدية، التي تم استخدامها بشكل أساسي في الليزر الصلب الكبير والليزر الليفي، تحديات في الأنظمة المصغرة بسبب مقاطع العرض البصرية المحدودة. يقدم المؤلفون نهجًا جديدًا باستخدام ليزر متبدل كمي قائم على فوتونيات السيليكون يتضمن دليل موجي كبير المساحة يعتمد على مكاسب العناصر الأرضية النادرة. يحقق هذا التصميم طاقات نبضات خرج على الرقاقة تتجاوز 150 نانوجول مع مدة نبضة تبلغ 250 نانوثانية في المنطقة الطيفية الآمنة لشبكية العين عند 1.9 ميكرومتر، مما يظهر كفاءة منحدر تبلغ حوالي 40% ضمن مساحة مضغوطة تبلغ حوالي 9 مم².
تشير النتائج إلى أن قدرات توليد النبضات عالية الطاقة لهذا النظام المتكامل قابلة للمقارنة، وفي كثير من الحالات تتجاوز، تلك الخاصة بالليزر الليفي المتبدل كمي التقليدي. يحمل هذا التقدم وعدًا كبيرًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك جراحة الليزر، التصوير البيولوجي، ورصد البيئة، لا سيما في منطقة الأشعة تحت الحمراء القصيرة الممتدة (>1.7 ميكرومتر)، والتي تعتبر حاسمة للإجراءات الطبية الدقيقة والاستخدامات الصناعية. يبرز البحث إمكانيات الفوتونيات المتكاملة لتلبية الطلبات على توليد نبضات عالية الطاقة في تنسيقات مضغوطة، مما يمهد الطريق لتطبيقات مبتكرة في مجالات متنوعة.
النتائج
في هذا القسم، يتم تقديم نتائج تصنيع وأداء جهاز فوتونيات السيليكون الذي يتميز بطبقة مكسب من الألومينا المخدرة بالثوليوم. تتكون الطبقة السلبية للجهاز، التي تم بناؤها في ليجنتيك، من طبقة سميكة من نيتريد السيليكون (SiN)، والتي تم تلميعها ونقشها وتغليفها بالسيليكا. يسمح فتح أكسيد محلي بإيداع طبقة مكسب Tm³⁺:Al₂O₃ بسمك 840 نانومتر، مع تركيز أيونات الثوليوم يبلغ 3.2 × 10²⁰ سم⁻³. تم قياس فقد الفيلم السالب عند 0.83 ديسيبل سم⁻¹ عند 450 نانومتر و0.55 ديسيبل سم⁻¹ عند 520 نانومتر، مع خسائر أقل من 0.1 ديسيبل سم⁻¹ بعد 1.55 ميكرومتر. أظهر الجهاز قدرة على تقسيم الطول الموجي العريض (WDM) مع عرض نطاق يبلغ 130 نانومتر مركزًا حول 1.89 ميكرومتر ونقل منفذ المضخة يتجاوز 90% عند 1.61 ميكرومتر.
تشير النتائج التجريبية إلى أن الليزر يعمل في وضع الموجة المستمرة (CW) في البداية، ويتحول إلى تشغيل نبضي متبدل كمي مع زيادة طاقة المضخة. عند طاقة مضخة متصلة تبلغ 400 مللي واط، أنتج الليزر نبضات بمعدل تكرار أقل من 1 ميغاهرتز، وعرض نبضة يبلغ 250 نانوثانية، وطاقة تتجاوز 150 نانوجول، مركزًا عند 1.89 ميكرومتر. تم قياس كفاءة المنحدر عند 40%، مع عتبة ليزر تبلغ حوالي 20 مللي واط. يسمح المحول الطوري المتكامل بضبط الممتص القابل للتشبع غير الخطي (NLI-SA) لتحسين تشكيل النبضات عن طريق ضبط منحنى الانعكاسية، وهو أمر حاسم لتحقيق نبضات عالية الطاقة. تم مراقبة استقرار طاقة الخرج المتبدل كمي، حيث أظهرت تقلبات تبلغ حوالي 1-2%، تعزى إلى الانجراف الميكانيكي أثناء المحاذاة.
المناقشة
يقدم البحث ليزر متبدل كمي عالي الطاقة متكامل على منصة فوتونيات السيليكون، مما يظهر أداءً ينافس وغالبًا ما يتجاوز الليزر الليفي التقليدي على الطاولة. يستخدم هذا الجهاز المتكامل ممتصًا قابلًا للتشبع اصطناعيًا جديدًا، مما يتيح توليد نبضات بكفاءة مع طاقات تتجاوز 150 نانوجول وعرض نبضات حوالي 250 نانوثانية عند طول موجي يبلغ حوالي 1.9 ميكرومتر. يتضمن التصميم دليل موجي على شكل ثعبان يدعم مساحة وضع كبيرة، مما يسهل تضخيم الإشارة العالية مع الحفاظ على مساحة مضغوطة. يعزز دمج ممتص قابل للتشبع من نوع كير تشكيل النبضات، مما يسمح بجودة شعاع عالية وكثافة، وهو مفيد بشكل خاص للتطبيقات في جراحة الطب والتقنيات المتقدمة للاستشعار.
تشير النتائج إلى أن هذا الليزر المتبدل كمي المتكامل يمكن أن يؤثر بشكل كبير على المجالات التي تتطلب ليزرات مضغوطة وعالية الأداء، مثل التطبيقات الطبية في نقطة الرعاية والأجهزة المخصصة للفضاء لرصد البيئة. تشير قابلية الجهاز للتوسع إلى نطاقات طول موجي مختلفة وإمكانية تحسين إضافي في مدة النبضات وتخزين الطاقة إلى طرق واعدة للبحث والتطوير في المستقبل. ومع ذلك، من الضروري إدارة طاقة النبضات داخل التجويف بعناية لتجنب إتلاف دلائل نيتريد السيليكون، لا سيما في المناطق ذات حصر الوضع الضيق. بشكل عام، يبرز هذا العمل إمكانيات الفوتونيات المتكاملة لتقديم أنظمة ليزر عالية الأداء مناسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات المت demanding.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41566-024-01388-0
Publication Date: 2024-02-09
Author(s): Neetesh Singh et al.
Primary Topic: Advanced Fiber Laser Technologies
Overview
The research paper section discusses advancements in chip-scale, high-energy optical pulse generation, particularly in the context of integrated photonics for applications in space and medicine. Traditional Q-switching techniques, which have been primarily utilized in large solid-state and fiber lasers, face challenges in miniaturized systems due to limited optical mode cross-sections. The authors present a novel approach using a silicon photonics-based passively Q-switched laser that incorporates a rare-earth gain-based large-mode-area waveguide. This design achieves impressive on-chip output pulse energies exceeding 150 nJ with a pulse duration of 250 ns in the retina-safe spectral region of 1.9 µm, demonstrating a slope efficiency of approximately 40% within a compact footprint of about 9 mm².
The findings indicate that the high-energy pulse generation capabilities of this integrated system are comparable to, and in many cases surpass, those of conventional Q-switched fiber lasers. This advancement holds significant promise for various applications, including laser surgery, biological imaging, and environmental monitoring, particularly in the extended-short-wave infrared region (>1.7 µm), which is crucial for precise medical procedures and industrial uses. The research underscores the potential of integrated photonics to meet the demands for high-energy pulse generation in compact formats, paving the way for innovative applications in diverse fields.
Results
In this section, the results of the fabrication and performance of a silicon photonics device featuring a thulium-doped alumina gain layer are presented. The device’s passive layer, constructed at Ligentec, consists of a thick silicon nitride (SiN) layer, which is polished, patterned, and cladded with silica. A local oxide opening allows for the deposition of an 840-nm-thick Tm³⁺:Al₂O₃ gain layer, with a thulium ion concentration of 3.2 × 10²⁰ cm⁻³. The passive film loss was measured at 0.83 dB cm⁻¹ at 450 nm and 0.55 dB cm⁻¹ at 520 nm, with losses below 0.1 dB cm⁻¹ beyond 1.55 µm. The device demonstrated a broadband wavelength division multiplexing (WDM) capability with a bandwidth of 130 nm centered around 1.89 µm and a pump port transmission exceeding 90% at 1.61 µm.
The experimental results indicate that the laser operates in continuous wave (CW) mode initially, transitioning to Q-switched pulsed operation as pump power increases. At a coupled pump power of 400 mW, the laser produced pulses with a repetition rate of <1 MHz, pulse width of 250 ns, and energy exceeding 150 nJ, centered at 1.89 µm. The slope efficiency was measured at 40%, with a lasing threshold of approximately 20 mW. The integrated phase shifter allows for tuning of the nonlinear interferometer saturable absorber (NLI-SA) to optimize pulse formation by adjusting the reflectivity curve, which is crucial for achieving high-energy pulses. The stability of the Q-switched output power was monitored, showing fluctuations of about 1-2%, attributed to mechanical drift during alignment.
Discussion
The research presents a high-energy Q-switched laser integrated on a silicon photonics platform, demonstrating performance that rivals and often exceeds traditional benchtop fiber lasers. This integrated device utilizes a novel artificial saturable absorber, enabling efficient pulse generation with energies exceeding 150 nJ and pulse widths around 250 ns at a wavelength of approximately 1.9 µm. The design incorporates a serpentine-shaped gain waveguide that supports a large mode area, facilitating high signal amplification while maintaining a compact footprint. The integration of a Kerr-type saturable absorber enhances pulse formation, allowing for high beam quality and intensity, which is particularly beneficial for applications in medical surgery and advanced sensing technologies.
The findings indicate that this integrated Q-switched laser could significantly impact fields requiring compact, high-performance lasers, such as point-of-care medical applications and space-bound instruments for environmental monitoring. The device’s scalability to different wavelength ranges and potential for further optimization in pulse duration and energy storage suggest promising avenues for future research and development. However, careful management of the intracavity pulse energy is necessary to avoid damaging the silicon nitride waveguides, particularly in regions of tight mode confinement. Overall, this work highlights the potential of integrated photonics to deliver high-performance laser systems suitable for a variety of demanding applications.