В современном мире, где точность и скорость измерений играют ключевую роль в развитии новых технологий, ученые из Университета Рочестера совместно с коллегами из Университета Калифорнии в Санта-Барбаре добились выдающегося прорыва. Они создали крошечный лазер, размер которого меньше цента — монеты, используемой в США. Несмотря на свои миниатюрные размеры, этот лазер способен выполнять ультрабыстрые измерения с частотой порядка 10 квинтиллионов раз в секунду. Такие показатели недоступны для ранее существовавших оптических приборов, что делает это устройство революционным. Этот миниатюрный лазер основан на использовании синтетического материала — ниобата лития, известного своими уникальными оптическими свойствами.
В основе работы устройства лежит эффект Поккельса, при котором изменение электрического поля вызывает изменение показателя преломления материала. Это позволяет оперативно изменять цвет лазерного излучения на широком спектральном диапазоне с крайне высокой скоростью. Возможность быстрой и точной настройки частоты лазера открывает новые перспективы для множества областей применения. Одно из ключевых направлений, где данный лазер найдет свое применение, — это системы LiDAR, используемые в автономных транспортных средствах. Современные LiDAR-системы обеспечивают обнаружение и измерение расстояния до объектов, создавая трехмерные карты окружающей среды.
Однако для более продвинутых моделей, таких как LiDAR с непрерывной частотной модуляцией, необходим большой диапазон и высокоскоростная настройка лазера. Новый чиповый лазер способен удовлетворить эти требования, улучшая точность и скорость считывания данных, что в итоге повысит безопасность и надежность автономных автомобилей. Исследователи продемонстрировали работу устройства на примере LiDAR-системы, установленной на вращающийся диск. При этом лазер смог идентифицировать буквы «U» и «R», выложенные из конструкторов LEGO. Этот эксперимент наглядно показал потенциал технологии для масштабирования и использования в реальных условиях, таких как обнаружение транспортных средств и препятствий на дорогах с высокой скоростью.
Кроме применения в автомобильной индустрии, миниатюрный лазер обладает потенциалом для использования в самых деликатных экспериментах, например, в детектировании гравитационных волн — явлении, которое до сих пор считается одним из самых загадочных в космологии. Высокая точность и стабильность лазерного излучения позволяет минимизировать шумы и ошибки при регистрации этих слабых сигналов, делая наблюдения более надежными. Кроме того, новая технология способствует прогрессу в оптических часах — приборах, способных измерять время с рекордной точностью. Традиционные установки для стабилизации частоты лазера, такие как техника запирания Пунда-Дрейвера-Холла, требуют громоздкого оборудования и сложных компонентов. Новый миниатюрный лазер может интегрировать функции всех этих устройств в единую микросхему с электронической настройкой.
Это значительно уменьшит размеры, снизит энергопотребление и расширит возможности применения оптических часов в различных сферах от связи до навигации. Одним из важных преимуществ этого лазера перед традиционной кремниевой фотоникой является его материал. Литиевый ниобат обеспечивает большую степень управления светом и устойчивость к различным внешним воздействиям, что является критически важным для длительной и стабильной работы лазерного устройства. Разработка получила поддержку DARPA через программу LUMOS и финансирование Национального научного фонда США, что свидетельствует о высоком стратегическом значении проекта. Участники научной группы подчеркнули, что разработка способна полностью изменить ландшафт интегрированной фотоники, открывая новые возможности для миниатюрных оптических систем, которые раньше были невозможны или слишком дорогими для широкого применения.
Перспективы применения технологии обширны и выходят за рамки транспортных и научных задач. Миниатюрные лазеры с высокой скоростью настройки пригодятся в промышленности для контроля качества материалов и деталей, в медицине для диагностики и мониторинга, а также в сфере телекоммуникаций для создания высокоскоростных и энергоэффективных оптических сетей. Нельзя не отметить и тот факт, что масштабируемость и стоимость производства таких лазеров делают их особенно привлекательными для массового внедрения. Вместо громоздких и дорогих лабораторных систем, теперь возможно создавать компактные и относительно недорогие устройства, которые можно интегрировать в широкий спектр технологий, что в конечном итоге приведет к ускорению инноваций и повышения качества жизни. Таким образом, лазер, размером меньше цента и способный измерять объекты с частотой в 10 квинтиллионов раз в секунду, является ярким примером того, как современные материалы и передовые инженерные решения могут трансформировать научные открытия в практические технологические достижения.
Эта разработка обещает кардинально изменить подход к оптической метрологии, автопилотированию, квантовым измерениям и многим другим аспектам современной науки и техники.
