Stanford diseña un súper láser de titanio y zafiro de bolsillo

El nuevo láser golpea un bloque de titanio y zafiro. Para escalar, ambos se sientan en una moneda de veinticinco centavos. Crédito: Yang et al., Naturaleza

En un salto de la mesa a la microescala, ingenieros de la Universidad de Stanford han producido el primer láser práctico de titanio-zafiro del mundo en un chip.

Los investigadores han desarrollado un láser de zafiro de titanio a escala de chip que es significativamente más pequeño y menos costoso que los modelos tradicionales, lo que lo hace accesible para aplicaciones más amplias en óptica cuántica, neurociencia y otros campos. Se espera que esta nueva tecnología permita a los laboratorios tener cientos de estos potentes láseres en un solo chip, alimentados por un simple puntero láser verde.

En cuanto a los láseres, se considera que los fabricados con titanio-zafiro (Ti:zafiro) tienen un rendimiento «inigualable». Son indispensables en muchos campos, incluida la óptica cuántica avanzada, la espectroscopia y la neurociencia. Pero ese rendimiento tiene un precio elevado. Ti: los láseres de zafiro son grandes, del orden de pies cúbicos en volumen. Son caros y cuestan cientos de miles de dólares cada uno. Y necesitan otros láseres de alta potencia, que cuestan 30.000 dólares cada uno, para suministrarles suficiente energía para funcionar.

Revolución en la tecnología láser

Como resultado, los láseres de Ti:zafiro nunca han logrado la amplia adopción en el mundo real que merecen, hasta ahora. En un espectacular salto adelante en escala, eficiencia y costo, investigadores de la Universidad de Stanford han construido un láser de Ti:zafiro en un chip. El prototipo es cuatro órdenes de magnitud más pequeño (10.000x) y tres órdenes menos costoso (1.000x) que cualquier láser de Ti:zafiro jamás producido.

Miniaturización revolucionaria y reducción de costos

«Esto supone un alejamiento total del antiguo modelo», afirmó Jelena Vučković, profesora Jensen Huang de Liderazgo Global, profesora de ingeniería eléctrica y autora principal del artículo que presenta el chip láser Ti:zafiro ampliado publicado en la revista. diario Naturaleza. “En lugar de un láser grande y costoso, cualquier laboratorio pronto podría tener cientos de estos valiosos láseres en un solo chip. Y puedes alimentar todo con un puntero láser verde”.

«Cuando se salta del tamaño de una mesa y se fabrica algo que se puede producir en un chip a un costo tan bajo, estos potentes láseres están al alcance de muchas aplicaciones importantes diferentes», afirmó Joshua Yang, candidato a doctorado en el laboratorio de Vučković y co-primero. coautor del estudio con los colegas del Laboratorio de Fotónica Cuántica y Nanoescala de Vučković, el ingeniero de investigación Kasper Van Gasse y el académico postdoctoral Daniil M. Lukin.

Ventajas técnicas y potencial de producción en masa

En términos técnicos, los láseres de Ti:zafiro son muy valiosos porque tienen la mayor «ganancia de ancho de banda» de cualquier cristal láser, explicó Yang. En términos simples, la ganancia de ancho de banda se traduce en una gama más amplia de colores que puede producir el láser en comparación con otros láseres. También es ultrarrápido, afirmó Yang. Se emiten pulsos de luz cada billonésima de segundo.

Pero los láseres de Ti:zafiro también son difíciles de encontrar. Incluso el laboratorio de Vučković, que lleva a cabo experimentos avanzados de óptica cuántica, tiene sólo unos pocos de estos preciados láseres para compartir. El nuevo láser Ti:sapphire se encuentra en un chip que se mide en milímetros cuadrados. Si los investigadores pueden producirlos en masa en obleas, potencialmente miles, tal vez decenas de miles de láseres de Ti:zafiro podrían comprimirse en un disco que quepa en la palma de una mano humana.

“Un chip es ligero. Es portátil. Es barato y es eficiente. No hay partes móviles. Y puede producirse en masa”, afirmó Yang. «¿Que es no gustar? Esto democratiza los láseres de Ti:zafiro”.

Innovaciones en la fabricación

Para formar el nuevo láser, los investigadores comenzaron con una capa masiva de titanio-zafiro sobre una plataforma de dióxido de silicio (SiO₂), todo montado sobre un auténtico cristal de zafiro. Luego muela, grabe y pula el Ti:zafiro hasta obtener una capa extremadamente delgada, de sólo unos pocos cientos de nanómetros de espesor. En esa fina capa, forman un vórtice de pequeñas crestas. Estas crestas son como cables de fibra óptica, que guían la luz alrededor y alrededor, aumentando su intensidad. De hecho, el modelo se conoce como guía de ondas.

«Matemáticamente hablando, la intensidad es el poder dividido por el área. Entonces, si se mantiene la misma potencia que el láser a gran escala, pero se reduce el área en la que se concentra, la intensidad se dispara”, dice Yang. «La pequeña escala de nuestro láser en realidad nos ayuda a hacerlo más eficiente».

La pieza restante del rompecabezas es un calentador a microescala que calienta la luz que viaja a través de las guías de ondas, lo que permite al equipo de Vučković cambiar la longitud de onda de la luz emitida para ajustar el color de la luz entre 700 y 1000 nanómetros, del rojo al infrarrojo. .

Aplicaciones y perspectivas futuras

Vučković, Yang y sus colegas están muy entusiasmados con la variedad de áreas en las que un láser de este tipo puede tener impacto. En física cuántica, el nuevo láser proporciona una solución económica y práctica que puede ralentizar drásticamente los ordenadores cuánticos de última generación. En neurociencia, los investigadores pueden prever una aplicación inmediata en la optogenética, un campo que permite a los científicos controlar las neuronas con luz guiada dentro del cerebro por una fibra óptica relativamente voluminosa. Dicen que los láseres de pequeña escala pueden integrarse en sondas más compactas que abren nuevas vías experimentales. En oftalmología, puede encontrar un nuevo uso con la amplificación del pulso chirriado ganadora del Premio Nobel en cirugía láser u ofrecer tecnologías de tomografía de coherencia óptica más compactas y menos costosas utilizadas para evaluar la salud de la retina.

A continuación, el equipo está trabajando para perfeccionar su láser Ti:zafiro a escala de chip y en formas de producirlos en masa, miles a la vez, en obleas. Yang obtendrá su doctorado este verano basándose en esta investigación y está trabajando para llevar la tecnología al mercado.

«Podemos colocar miles de láseres en una sola oblea de 4 pulgadas», afirma Yang. “Ahí es cuando el coste por láser empieza a ser casi nulo. Eso es bastante emocionante».

Referencia: «Láseres y amplificadores integrados de titanio: zafiro sobre aislante» por Joshua Yang, Kasper Van Gasse, Daniil M. Lukin, Melissa A. Guidry, Geun Ho Ahn, Alexander D. White y Jelena Vučković, 26 de junio de 2024, Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07457-2

Los autores contribuyentes incluyen a la investigadora postdoctoral Melissa A. Guidry y los candidatos a doctorado Geun Ho Ahn y Alexander D. White. Vučković también es miembro de Stanford Bio-X, el Stanford PULSE Institute y el Wu Tsai Neurosciences Institute.

El financiamiento para esta investigación es cortesía del Premio AF Harvey del Instituto de Ingeniería y Tecnología, la Beca de la Facultad Vannevar Bush del Departamento de Defensa de los EE. UU., la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA), y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (AFOSR). Parte de este trabajo se realizó en Stanford Nano Shared Facilities (SNSF)/Stanford Nanofabrication Facility (SNF), con el apoyo de la National Science Foundation.