Kinijos mokslų akademijos tyrėjai sukūrė vakuuminio ultravioletinio diapazono kietakūnį lazerį, kurio bangos ilgis yra rekordiškai trumpas – vos 158,9 nanometro. Tai pavyko pasiekti naudojant naują optinį kristalą, kurį komanda kūrė daugiau kaip dešimt metų.
Tyrimų projektui vadovavo daktaras Pan Shilie, Sindziango fizikos ir chemijos instituto prie Kinijos mokslų akademijos direktorius. Kuriant lazerį buvo panaudotas nelinijinis kristalas amonio fluorooksoboratas (NH₄BF₄), žinomas kaip ABF. Naudojant šį kristalą, ultravioletinė spinduliuotė gauta tiesiogiai dvigubinant šviesos dažnį.
Mokslininkų komanda teigia, kad ABF kristalo sukūrimas atveria kelią kompaktiškiems ir efektyviems vakuuminio ultravioletinio diapazono kietakūniams lazeriams. Tokie šviesos šaltiniai gali būti naudojami kvantinėse technologijose, kosminėse sistemose, mikroschemų gamyboje ir itin tikslios mechanikos srityje.
Kas yra vakuuminis ultravioletas ir kodėl jis svarbus?
Vakuuminio ultravioletinio (VUV) diapazono bangos ilgiai apima maždaug 120–240 nanometrų ruožą. Toks spinduliavimas ypač svarbus spektroskopijai, puslaidininkių pramonei ir kvantiniams tyrimams, tačiau efektyviai jį generuoti ilgą laiką buvo sudėtinga dėl tinkamų kristalų stokos.
Iki šiol beveik vienintelis plačiau žinomas medžiaginis sprendimas lazerinei spinduliuotei, trumpesnei nei 200 nanometrų, generuoti buvo kalio-berilio fluoroboratas (KBBF). Vis dėlto šį kristalą itin sunku išauginti ir praktiškai pritaikyti realiuose įrenginiuose.
Naujas ABF kristalas – sprendimas senoms problemoms
Naujasis kinų mokslininkų sukurtas ABF kristalas išsprendžia daugelį šių problemų. Jis pasižymi:
Didelio skaidrumo langu vakuuminio ultravioletinio diapazone, stipria nelinijine optine reakcija, būtinais fazių suderinimo ir kitais optiniais-parametrais darbui esant labai trumpiems bangos ilgiams.
Pasak daktaro Pan Shilie, ABF kristalas nuo pirminės idėjos iki veikiąs lazerinės sistemos buvo visiškai sukurtas ir užpatentuotas jo vadovaujamo instituto. Jo teigimu, ši medžiaga leido ne tik pasiekti rekordiškai trumpą bangos ilgį, bet ir užtikrino itin aukštus energijos bei konversijos efektyvumo rodiklius.
Kristalas pirmą kartą buvo susintetintas 2016 metais. Po to mokslininkai beveik dešimtmetį dirbo, kad būtų galima išauginti centimetro dydžio, aukštos optinės kokybės monokristalus, tinkamus praktiniams įrenginiams, o ne vien laboratoriniams bandymams.
Rekordiniai lazerio parametrai
Lazeriui, paremtam ABF kristalu, pavyko pasiekti 4,8 milijoulaus impulsinę energiją ir beveik 6 % konversijos efektyvumą. Tyrėjų teigimu, tai yra nauji rekordai vakuuminio ultravioletinio diapazono lazeriams, kurių spinduliuotė gaunama generuojant antrąją harmoniką.
Kuo trumpesnė bangos ilgis, tuo didesnė šviesos kvantų energija. Tai atveria naujas galimybes tiek fundamentiniuose tyrimuose, tiek taikomojoje pramonėje – nuo itin aukštos raiškos litografijos iki sudėtingų kvantinių sistemų valdymo.
Perspektyvos pramonei ir kvantinėms technologijoms
Daktaras Pan Shilie pabrėžė, kad ši technologija bus naudojama kuriant visiškai naujas kryptis pramonėje ir moksle, ypač būsimose kosminėse ryšių sistemose. VUV lazeriai gali tapti svarbia grandimi kuriant naujos kartos kosminio ryšio ir navigacijos sprendimus, kuriems reikia itin tikslaus ir kryptingo šviesos šaltinio.
Kvantinių tyrimų srityje tokie lazeriai leidžia itin tiksliai valdyti atomų ir jonų energijos lygius, kas yra esminė sąlyga kuriant kvantinius kompiuterius ir kitus kvantinius informacinių technologijų įrenginius. Dėl didelės energijos ir trumpo bangos ilgio šie lazeriai gali būti naudojami sudėtingoms kvantinėms būsenoms sužadinti ir manipuliuoti jomis su itin dideliu tikslumu.
Naujasis ABF kristalas ir jo pagrindu sukurtas lazeris žymi svarbų žingsnį siekiant kompaktiškų, patikimų ir plačiai pritaikomų vakuuminio ultravioletinio diapazono šviesos šaltinių, kurie gali stipriai pakeisti tiek mikrolektroniką, tiek kvantinių technologijų vystymąsi.
