Επιστήμονες στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο Φυσικής και Χημείας του Xinjiang, μέρος της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, ανακοίνωσαν τη δημιουργία ενός λέιζερ με το βραχύτερο μήκος κύματος που έχει επιτευχθεί ποτέ σε εργαστηριακό επίπεδο. Το επίτευγμα, που περιγράφεται σε νέα δημοσίευση, αφορά μήκος κύματος 158.9 νανόμετρων (nm), οδηγώντας σε λέιζερ στερεάς κατάστασης με την υψηλότερη καταγεγραμμένη ενέργεια εξόδου.
Αυτή η λύση, που βασίζεται σε στερεά υλικά, προσφέρει πλεονεκτήματα όπως συμπαγές μέγεθος, χαμηλότερο κόστος, ευκολότερη συντήρηση και απόδοση εφάμιλλη με συστήματα λέιζερ που καταλαμβάνουν ολόκληρα δωμάτια, όπως αυτά που βασίζονται σε αέρια πλάσμα και ακτινοβολία σύγχροτρον. Η καινοτομία αυτή ανοίγει τον δρόμο για σημαντικές εφαρμογές στην κβαντική υπολογιστική, σε διαστημικές πλατφόρμες, στην ακριβή κατασκευή και στη βιομηχανία ημιαγωγών.
Στην καρδιά αυτής της επιτυχίας βρίσκεται ο κρύσταλλος φθοριοξοβοράτης αμμωνίου (ABF), ο οποίος σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε από Κινέζους επιστήμονες τα τελευταία 10 χρόνια. Η ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής τον διευθυντή του ινστιτούτου, Pan Shilie, δημοσίευσε τα πρωτοποριακά ευρήματά της στο περιοδικό Nature στις 28 Ιανουαρίου. Σύμφωνα με τους ερευνητές, το επίτευγμα όχι μόνο ξεπερνά τα όρια του βραχύτερου μήκους κύματος και της ενέργειας εξόδου, αλλά θέτει επίσης παγκόσμιο ρεκόρ στην αποδοτικότητα μετατροπής.
Τα λέιζερ υπεριώδους κενού στερεάς κατάστασης είναι ένας τύπος λέιζερ του οποίου το κύριο εξάρτημα που εκπέμπει φως αποτελείται από στερεό υλικό. Παράγουν μια έντονη και σταθερή δέσμη φωτός, καθιστώντας τα ιδιαίτερα χρήσιμα για την επιστήμη αιχμής, την παραγωγή τσιπ και την εξαιρετικά ακριβή κατασκευή. Τέτοιες πηγές φωτός δημιουργούνται κυρίως μέσω μιας τεχνολογίας που ονομάζεται μη γραμμική οπτική μετατροπή συχνότητας. Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει την ακτινοβόληση συγκεκριμένων κρυστάλλων με υπέρυθρο ή ορατό φως λέιζερ για την αλλαγή των ιδιοτήτων του φωτός, μετατοπίζοντας το χρώμα του στην υπεριώδη περιοχή. Το παραγόμενο υπεριώδες φως έχει πολύ μικρό μήκος κύματος, πράγμα που σημαίνει ότι μεταφέρει περισσότερη ενέργεια και ανοίγει νέες δυνατότητες για εφαρμογές.
Ο κρύσταλλος αποτελεί το βασικό υλικό που επιτρέπει αυτή την έξοδο λέιζερ. Για δεκαετίες, ο φθοριοβορικός βηρύλλιο-κάλιο (potassium beryllium fluoroborate), που εφευρέθηκε από Κινέζους επιστήμονες τη δεκαετία του 1990, ήταν ο μόνος πρακτικός κρύσταλλος ικανός να παράγει έξοδο λέιζερ κάτω από 200nm μέσω άμεσης διπλασιασμού συχνότητας, διατηρώντας μια κορυφαία παγκόσμια θέση. Το τελευταίο επίτευγμα της ομάδας του Pan συνδυάζει θεωρητικές καινοτομίες με την ανάπτυξη του υψηλότερης ποιότητας ABF.
«Ο κρύσταλλος ABF είναι ένα καινοτόμο υλικό, πλήρως αναπτυγμένο και κατοχυρωμένο με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας από το ινστιτούτό μας – από τον αρχικό σχεδιασμό, την ανάπτυξη του κρυστάλλου, έως την τελική έξοδο λέιζερ», δήλωσε ο Pan σε συνέντευξή του στην κρατική τηλεόραση CCTV. Περιέγραψε ρεκόρ σε τρεις τομείς, λέγοντας: «Το ABF όχι μόνο επιτυγχάνει το βραχύτερο μήκος κύματος, αλλά παρέχει επίσης την υψηλότερη ενέργεια εξόδου και αποδοτικότητα μετατροπής μέχρι σήμερα».
Υπό συγκεκριμένες συνθήκες, ο άμεσος διπλασιασμός συχνότητας του ABF παρήγαγε ένα ρεκόρ βραχύτερου μήκους κύματος 158.9nm. Όταν το μήκος κύματος επεκτάθηκε στα 177.3nm, πέτυχε την υψηλότερη ενέργεια παλμού νανοδευτερολέπτου (nanosecond pulse energy) 4.8 millijoules. Ταυτόχρονα, έφτασε σε αποδοτικότητα μετατροπής λέιζερ 7.9%, ένα ρεκόρ για τέτοιου είδους λέιζερ. Η ομάδα συνέθεσε για πρώτη φορά την ένωση ABF το 2016 και αφιέρωσε 10 χρόνια στην ανάπτυξη του κρυστάλλου από χιλιοστομετρική σε εκατοστομετρική κλίμακα.
«Αναμένεται ότι η μελλοντική βελτιστοποίηση των τεχνικών ανάπτυξης και επεξεργασίας κρυστάλλων θα ενισχύσει περαιτέρω την απόδοση του λέιζερ», δήλωσε ο Pan. Πέρα από την παροχή ανώτερων πηγών φωτός για υφιστάμενα οπτικά όργανα, η ομάδα εξετάζει επίσης πώς αυτή η τεχνολογία λέιζερ θα μπορούσε να μεταμορφώσει ή να πρωτοπορήσει σε εντελώς νέους τομείς.
«Η Κίνα μετασχηματίζεται από μια μεγάλη χώρα παραγωγής σε μια βιομηχανική δύναμη», δήλωσε ο Pan. «Υπάρχουν πολλοί τομείς όπου πρέπει να πρωτοστατούμε και να δημιουργούμε ζήτηση, όχι απλώς να ακολουθούμε τη Δύση, ανταποκρινόμενοι στις ανάγκες της. Θα χρησιμοποιήσουμε αυτό το απευθείας παραγόμενο λέιζερ για να δημιουργήσουμε νέα ζήτηση. Για παράδειγμα, στις μελλοντικές διαστημικές επικοινωνίες, υπάρχουν πολλές ‘αχαρτογράφητες περιοχές’.»
Ο Pan μπορεί να αναφέρεται στην επικοινωνία μεταξύ δορυφόρων σε μελλοντικά διαστημικά δίκτυα. Το φως υπεριώδους κενού με μήκη κύματος μεταξύ 100nm και 200nm απορροφάται έντονα από την ατμόσφαιρα της Γης, εμποδίζοντας τη μετάδοση μεταξύ εδάφους και δορυφόρων, αλλά μπορεί να μεταδοθεί αποτελεσματικά στο κενό του διαστήματος μεταξύ δορυφόρων.
Στην θεμελιώδη επιστήμη, μικρότερο μήκος κύματος και υψηλότερη ενέργεια στα λέιζερ σημαίνουν μεγαλύτερη ανάλυση. «Στην έρευνα υπεραγωγιμότητας, μπορούμε να δούμε τις λεπτομέρειες που άλλοι χάνουν», δήλωσε ο Pan. «Αυτό το όραμα μας βοηθά να οδηγήσουμε τις καινοτομίες από την αρχή τους.» Στην κβαντική έρευνα, τα λέιζερ υπεριώδους κενού μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ακριβή χειραγώγηση των ενεργειακών επιπέδων ατόμων και ιόντων, συμβάλλοντας στην ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών επόμενης γενιάς.
