Είναι δυνατόν να δημιουργηθεί ένα φεμτοδευτερολέπτου λέιζερ αποκλειστικά από γυαλί; Αυτός είναι ο λαβύρινθος που εξερεύνησε ο Yves Bellouard, επικεφαλής του Εργαστηρίου Galatea του EPFL, μετά από χρόνια που δαπάνησε ώρες – και ώρες – στον ευθυγράμμιση φεμτοδευτερολέπτου λέιζερ για πειράματα στο εργαστήριο.
Το εργαστήριο Galatea βρίσκεται στον συναπτό χώρο της οπτικής, της μηχανικής και της επιστήμης των υλικών, με τους φεμτοδευτερολέπτου λέιζερ να αποτελούν κλειδί στο έργο του Bellouard. Αυτοί οι λέιζερ εκπέμπουν εξαιρετικά σύντομες και συνεπείς ακτίνες φωτός και έχουν εφαρμογές σε διάφορους τομείς όπως η χειρουργική με λέιζερ στα μάτια, η μη γραμμική μικροσκοπία, η σπεκτροσκοπία και η αειφόρος αποθήκευση δεδομένων. Συνήθως, οι εμπορικοί φεμτοδευτερολέπτου λέιζερ κατασκευάζονται τοποθετώντας οπτικά εξαρτήματα σε υπόστρωμα, όπως οπτικές πλατφόρμες, απαιτώντας προσεκτικό ευθυγράμμιση.
“Χρησιμοποιούμε φεμτοδευτερολέπτου λέιζερ για την έρευνά μας σχετικά με τις μη γραμμικές ιδιότητες των υλικών και πώς τα υλικά μπορούν να τροποποιηθούν στον όγκο τους,” εξηγεί ο Bellouard. “Ο κόπος του επώδυνου σύνθετου οπτικού ευθυγράμμισης σε κάνει να ονειρεύεσαι για πιο απλούς και πιο αξιόπιστους τρόπους ευθυγράμμισης πολύπλοκων οπτικών.”
Η λύση του Bellouard και της ομάδας του; Χρησιμοποιήστε ένα εμπορικό φεμτοδευτερολέπτου λέιζερ για να φτιάξετε ένα φεμτοδευτερολέπτου λέιζερ από γυαλί, μικρότερο από το μέγεθος ενός πιστωτικού καρτοφυλακίου, και χωρίς τα προβλήματα ευθυγράμμισης. Τα αποτελέσματα δημοσιεύονται στο περιοδικό Optica.
Πώς φτιάχνετε ένα φεμτοδευτερολέπτου λέιζερ από γυαλί
Για να φτιάξουμε ένα φεμτοδευτερολέπτου λέιζερ χρησιμοποιούμε ένα υπόστρωμα από γυαλί, οι επιστήμονες ξεκινούν με ένα φύλλο γυαλιού. “Θέλουμε να δημιουργήσουμε σταθερούς λέιζερ, οπότε χρησιμοποιούμε γυαλί επειδή έχει μικρότερη θερμική διαστολή από τα συμβατικά υποστρώματα, είναι ένα σταθερό υλικό και διαφανές για το φως του λέιζερ που χρησιμοποιούμε,” εξηγεί ο Bellouard.
Χρησιμοποιώντας ένα εμπορικό φεμτοδευτερολέπτου λέιζερ, οι επιστήμονες χαράσσουν ειδικές εγκοπές στο γυαλί που επιτρέπουν την ακριβή τοποθέτηση των ουσιώδων στοιχείων του λέιζερ τους. Ακόμη και με εξαιρετική ακρίβεια κατασκευής σε επίπεδο μικροσκοπικών διαστάσεων, οι εγκοπές και τα στοιχεία δεν είναι αρκετά ακριβή από μόνα τους για να φτάσουν στην ποιότητα ευθυγράμμισης που απαιτείται για ένα λέιζερ. Με άλλα λόγια, οι καθρέφτες δεν είναι ακόμη τέλεια ευθυγραμμισμένοι, οπότε σε αυτό το στάδιο, η συσκευή τους από γυαλί δεν είναι ακόμη λειτουργική ως λέιζερ.
Οι επιστήμονες γνωρίζουν από προηγούμενη έρευνα ότι μπορούν να κάνουν το γυαλί να διογκωθεί ή να συρρικνωθεί τοπικά. Γιατί λοιπόν να μη χρησιμοποιήσουν αυτήν την τεχνική για να προσαρμόσουν την ευθυγράμμιση των καθρεφτών;
Η αρχική χάραξη σχεδιάζεται έτσι ώστε ένας καθρέφτης να βρίσκεται σε ένα αυλάκι με μικρομηχανικά ευέλικτα στοιχεία που σχεδιάζονται για να ανακινούν τοπικά τον καθρέφτη όταν εκτίθενται στο φως του φεμτοδευτερολέπτου λέιζερ. Με αυτόν τον τρόπο, το εμπορικό φεμτοδευτερολέπτου λέιζερ χρησιμοποιείται για δεύτερη φορά, αυτή τη φορά για να ευθυγραμμίσει τους καθρέφτες και, τελικά, να δημιουργήσει ένα σταθερό, φεμτοδευτερολέπτου λέιζερ μικρής κλίμακας.
“Αυτή η προσέγγιση για τη μόνιμη ευθυγράμμιση ελεύθερων οπτικών στοιχείων χάρη στον αλληλεπίδραση του λέιζερ με την ύλη μπορεί να επεκταθεί σε μια ευρεία ποικιλία οπτικών κυκλωμάτων, με ακρίβειες ευθυγράμμισης έως και υπο-νανομέτρων,” λέει ο Bellouard.
Εφαρμογές και πέραν αυτών
Τα προγράμματα συνεχούς έρευνας στο Εργαστήριο Galatea θα εξερευνήσουν τη χρήση αυτής της τεχνολογίας στο πλαίσιο της συναρμολόγησης κβαντικών οπτικών συστημάτων, προωθώντας το όριο της επίτευξης της τρέχουσας επιτυχούς ελάχιστης κλίμακας και ακρίβειας ευθυγράμμισης.
Η διαδικασία ευθυγράμμισης εξακολουθεί να επιβλέπεται από έναν ανθρώπινο τελειωτή και με πρακτική μπορεί να διαρκέσει μερικές ώρες για να ολοκληρωθεί. Παρόλο που είναι μικρό σε μέγεθος, το λέιζερ είναι ικανό να φτάσει περίπου ένα κιλοβάτ από κορυφαία ισχύ και να εκπέμπει παλμούς μικρότερους από 200 φεμτοδευτερόλεπτα, μόλις αρκετός χρόνος για το φως να διασχίσει ένα ανθρώπινο μαλλί.
Αυτή η νέα τεχνολογία φεμτοδευτερολέπτου λέιζερ θα αποτελέσει το αντικείμενο δημιουργίας εταιρείας από την Cassio-P, μια εταιρεία που θα ηγείται από τον Antoine Delgoffe στο Εργαστήριο Galatea, ο οποίος εντάχθηκε στο έργο σε μια κρίσιμη φάση με αποστολή την ολοκλήρωση της απόδειξης του προ-concept σε ένα μελλοντικό εμπορικό μηχάνημα.
