光にとって、一秒は永遠です。私たちがまばたきする間に、光線は地球を数回周回する可能性があります。したがって、物理学者が超高速レーザーについて話すとき、彼らはそのスケールがもはや人間とは思えない領域に入ります。 これらのデバイスによって生成されるパルスの持続時間はわずか数百フェムト秒です。 フェムト秒は、10 億分の 1 秒、0.000000000000001 秒に相当します。そう、無限に小さな何か。 この図は非常に極端であるため、直観的な意味はほとんどありません。しかし、これらの非常に短い光の閃光は、人類がこれまでに開発した最も正確なテクノロジーの一部を支えています。
これらは、微細なコンポーネントの製造、高精度の目の手術の実行、およびノーベル賞を受賞した技術であるいわゆる光周波数コムの生成に使用されます。 世界で最も正確な原子時計の心臓部。問題は、これらのレーザーは通常、大きく、複雑で、高価であることです。
何十年もの間、超短パルスを生成できるシステムは専門の研究室に限定されており、ミラー、ファイバー、精密に位置合わせされたコンポーネントで覆われた光学テーブル全体を占有していました。 今、 トビアス・キッペンバーグ率いるローザンヌ連邦工科大学（EPFL）の科学者チームは、多くの専門家が集積フォトニクスの大きな懸案の一つと考えていたこと、つまりこの技術をチップに移すことを達成したと主張している。
雑誌に載っていた装置 自然 わずか 147 フェムト秒のパルスを生成し、ナノジュールを超えるエネルギーに達します。このパフォーマンスは、これまで主にはるかに大型のデスクトップ システムに関連付けられていました。 この「量子フリッカー」の長さを最も正確に比較すると、147 フェムト秒は 1 秒に相当し、1 秒は約 216,000 年に相当します。 進歩の大きさを知るには、電子回路を想像すると便利です。マイクロプロセッサでは、電気はシリコン ウェーハにエッチングされた微細なチャネルを通って流れます。フォトニックチップも同様に機能しますが、電子の代わりに光を輸送します。
これらのおかげで、以前は部屋ほどのサイズの機器が必要だった数多くの光学機能が、占有面積わずか数平方ミリメートルにまで徐々に縮小されてきました。しかし、超高速レーザーは小型化が特に難しいことがわかっていました。 キッペンバーグ氏のチームは、マミシェフ発振器として知られるアーキテクチャに目を向けました (での種類 光ファイバーレーザー 生成するように設計されています 超短光パルス)、何年も前に提案されたアイデアですが、統合フォトニクスでは比較的ほとんど検討されていません。そしてその結果は驚くべきものでした。
レーザーキャビティの全長は 42 センチメートルです。しかし、 この 42 センチメートルを折り畳んで、マッチの頭ほどの大きさの表面に丸めます。 それは、コインの中に陸上競技場のトラックを圧縮するようなものです。
各パルスの持続時間は非常に短いため、満足のいく類似性を見つけるのは困難です。 光は約 44 マイクロメートルを 147 フェムト秒で進みます。これは、各パルスの持続時間中に、光が伝わる距離が人間の髪の毛の幅よりも短いことを意味します。別の見方では、これらのフラッシュは非常に短時間であるため、原子が振動し、化学結合が形成され、電荷が移動する分子スケールで起こる現象を観察できると考えることもできます。いわば、目に見えない世界を研究するための超高速カメラです。
この進歩で最も興味深いのは、レーザーの速度ではなく、マイクロチップであるかのようにレーザーを製造できる可能性かもしれません。 著者らは、1000 を超えるレーザーキャビティを 1 枚のウェーハ上に同時に生成できることに注目しています。、半導体業界で使用されているものと同様のプロセスを使用します。その約束が実現すれば、これらのシステムのコストは劇的に削減される可能性があります。
そこでアプリケーションが登場します。超高速レーザーは、大気汚染物質の検出、化学分子の特定、材料の分析、工業用コンポーネントの目に見えない欠陥の検査、および非常に正確な測定の実行に使用されます。 また 将来の世代のウェアラブル医療機器において重要な役割を果たす可能性があります。 しかし、おそらく最も野心的な応用の 1 つは、光原子時計の小型化です。
これらの機器は非常に正確であるため、数十億年で無駄にできるのは 1 秒未満であり、衛星ナビゲーション システム、高度な電気通信、物理学の多くの基礎研究などの技術の基礎を形成しています。 今では彼らは研究室全体を占拠しています。将来的には、その機能の一部が携帯電話サイズのデバイスに収まる可能性があります。
