پتلی فلم لیتھیم نیوبیٹ پر مبنی دنیا کا پہلا الٹرا فاسٹ موڈ لاکڈ لیزر تیار کیا گیا ہے، اور پتلی فلم لیتھیم نیوبیٹ انٹیگریٹڈ آپٹکس تیزی سے آگے بڑھ رہی ہے۔

حال ہی میں، نیو یارک کی سٹی یونیورسٹی سے کیو شی گو اور کیلیفورنیا انسٹی ٹیوٹ آف ٹیکنالوجی سے علیریزا مرانڈی کی ٹیم نے سائنس کے جریدے میں "الٹرا فاسٹ موڈ لاکڈ لیزر ان نینو فوٹوونک لیتھیم نائوبیٹ" کے عنوان سے ایک مضمون شائع کیا۔ "ٹیم نے بڑی چالاکی سے III-V سیمی کنڈکٹرز کے اعلی لیزر گین کو پتلی فلم لیتھیم نائوبیٹ کی بہترین الیکٹرو آپٹیکل خصوصیات کے ساتھ ملایا اور ہائبرڈ انٹیگریشن کے ذریعے ہائی چوٹی پلس پاور کے ساتھ ایک برقی طور پر پمپ موڈ لاکڈ لیزر تیار کیا، جس کی تکرار ہوتی ہے۔ 10 GHz کی فریکوئنسی 1065 nm کے قریب، 4.8 ps کی آپٹیکل پلس چوڑائی، 5 pJ سے زیادہ کی نبض کی توانائی، اور 0.5 pJ. pJ سے زیادہ کی چوٹی کی طاقت، اور چوٹی 0.5 ڈبلیو سے زیادہ پاور۔ مزید برآں، اس کی لیزر آؤٹ پٹ پلس انرجی اور چوٹی کی طاقت نینو فوٹونکس پلیٹ فارم کے تحت موڈ لاکڈ لیزرز کی اعلیٰ ترین سطح پر پہنچ گئی ہے۔

Lithium niobate کرسٹل مواد ایک نایاب مصنوعی کرسٹل مواد ہے جو piezoelectric، electro-optical، acousto-optic، photoelastic، nonlinear، photorefractive اور laser-active اثرات وغیرہ کو یکجا کرتا ہے۔ مستحکم مکینیکل خصوصیات، آسان پروسیسنگ، اعلی درجہ حرارت کی مزاحمت کے فوائد کے ساتھ۔ ، سنکنرن مزاحمت، خام مال کے وافر ذرائع، کم قیمت، اور بڑے کرسٹل میں بڑھنے میں آسان، خاص طور پر مختلف ڈوپینٹس کے نفاذ کے بعد مختلف قسم کی خصوصی خصوصیات دکھا سکتے ہیں، یہ اب تک دریافت ہونے والی سب سے زیادہ جامع اور جامع فوٹوونکس خصوصیات ہیں۔ . یہ سب سے زیادہ فوٹوونک خصوصیات کے ساتھ کرسٹل ہے اور اب تک لوگوں کے ذریعہ دریافت کیے گئے بہترین جامع اشاریہ جات ہیں، اور اس کی مارکیٹ میں درخواست کا بہت وسیع امکان ہے۔ لہذا، یہ فوٹوونک دور میں "آپٹیکل سلکان" مواد کے طور پر بھی جانا جاتا ہے، اور بڑے پیمانے پر اعلی کارکردگی والے فلٹرز، الیکٹرو آپٹیکل آلات، ہولوگرافک اسٹوریج، 3D ہولوگرافک ڈسپلے، نان لائنر آپٹیکل ڈیوائسز، اور آپٹیکل کوانٹم کمیونیکیشن میں استعمال ہوتا ہے۔
موڈ لاکڈ لیزرز پکوسیکنڈ اور فیمٹوسیکنڈ ٹائم اسکیلز پر شدید، مربوط، الٹرا شارٹ آپٹیکل پلسز پیدا کرنے کی صلاحیت رکھتے ہیں، اور اس طرح انتہائی نان لائنر آپٹکس، آپٹیکل ایٹمک کلاک، آپٹیکل فریکوئنسی کنگھی، بایو سیم، آپٹیکل اٹامک کلاک جیسے جدید فیلڈز میں ایپلی کیشنز کو محسوس کر سکتے ہیں۔ اور فوٹوونک کمپیوٹنگ۔ تاہم، موجودہ روایتی موڈ-لاک لیزرز میں زیادہ قیمت، زیادہ بجلی کی کھپت اور بڑے سائز کے نقصانات ہیں، اور III-V سیمی کنڈکٹرز کے متضاد انضمام پر مبنی موڈ-لاک لیزرز سے لیتھیم نائوبیٹ نانوفوٹونک پلیٹ فارمز سے زیادہ پیداواری طاقت حاصل کرنے کی توقع ہے۔ اور اعلی ٹیونبلٹی، اس لیے متعلقہ ٹیکنالوجیز نے محققین کی طرف سے وسیع توجہ مبذول کرائی ہے۔

موڈ لاکڈ لیزرز کے میدان میں تکنیکی رکاوٹ کو ہدف بناتے ہوئے، تحقیقی ٹیم نے III-V گین میڈیم اور ایک لیتھیم نائوبیٹ فیز ماڈیولر کو مربوط کرکے روایتی موڈ لاکڈ لیزرز کی سائز کی حد کو توڑ دیا ہے، اور موڈ لاکڈ لیزرز کو محسوس کیا ہے۔ چپ کی سطح تک سائز کو سکڑتے ہوئے بہترین کارکردگی کے ساتھ۔
موڈ لاکڈ لیزرز کو دو میکانزم میں تقسیم کیا جا سکتا ہے: غیر فعال موڈ لاکنگ اور ایکٹو موڈ لاکنگ۔ جیسا کہ ذیل کی شکل (A) میں دکھایا گیا ہے، لیزر کے فعال موڈ لاکنگ کو محسوس کرنے کے لیے، مصنفین نے لیزر گونجنے والی گہا کے اندر پتلی فلم لیتھیم نائوبیٹ پر مبنی ایک الیکٹرو آپٹک فیز ماڈیولیٹر شامل کیا۔ چونکہ الیکٹرو آپٹک اثر کے تحت لیتھیم نیوبیٹ کا ریفریکٹیو انڈیکس وقتاً فوقتاً تبدیل ہوتا رہتا ہے، جس کے نتیجے میں آپٹیکل دالیں گہا کے اندر ایک مستحکم حالت برقرار رکھنے میں ناکام رہتی ہیں، تحقیقی ٹیم نے فیز ماڈیولیشن ٹائم پیریڈ اور راؤنڈ- کے درمیان ایک اچھا میچ بھی ڈیزائن کیا۔ گہا کے اندر نظری دالوں کا ٹرپ ٹائم، اور فیز ماڈیولیشن ٹائم پیریڈ کے ساتھ اچھا میچ حاصل کرنے کے لیے ڈسپریشن آفسیٹنگ کا استعمال کیا۔ لہذا، تحقیق نے یہ بھی ڈیزائن کیا کہ فیز ماڈیولیشن ٹائم پیریڈ اور گہا میں آپٹیکل پلس کے راؤنڈ ٹرپ ٹائم کے درمیان ایک اچھا میچ حاصل کیا جائے، اور جمع شدہ چہچہاہٹ کو دور کرنے کے لیے بازی کا استعمال کیا جائے، اور آپٹیکل پلس کے نقصان کی تلافی لیزر گین، اور آخر میں فیز لاکنگ کا احساس، جیسا کہ درج ذیل اعداد و شمار میں دکھایا گیا ہے (BC)؛ انٹیگریٹڈ انٹیگریٹڈ لیتھیم نائوبیٹ موڈ لاکڈ آن چپ لیزر کا اسکیمیٹک خاکہ مندرجہ ذیل شکل (D) میں دکھایا گیا ہے۔
تصویر
انٹیگریٹڈ لتیم نائوبیٹ موڈ لاک آن چپ لیزر کا آپریٹنگ اصول اور ڈیوائس اسکیمیٹک۔
تحقیقی ٹیم کے مطابق، اپنی اعلی پیداوار کی چوٹی کی طاقت اور درست فریکوئنسی کنٹرول کی صلاحیت کے ساتھ، موڈ لاکڈ لیزر سے مکمل آن چپ انٹیگریشن کے ساتھ ایک انتہائی فاسٹ نان لائنر آپٹیکل سسٹم کی تعمیر کی توقع ہے، اس طرح آپٹیکل فریکوئنسی کومبس، سپر کانٹینیوم لائٹ سورسز اور ایٹم کو محسوس کیا جا سکتا ہے۔ مکمل فریکوئنسی لاکنگ کے ساتھ گھڑیاں۔ اس سے آپٹیکل کمیونیکیشن، میڈیکل امیجنگ، درستگی کی پیمائش، کمپیوٹنگ اور دیگر شعبوں کی ترقی میں بہت آسانی ہوگی۔ "طویل مدت میں، آن-چِپ موڈ لاکڈ لیزر میں مربوط مواصلات، درست وقت، اور درست پیمائش کے شعبوں میں ناقابل تبدیلی ایپلی کیشنز ہو سکتی ہیں۔"
تصویر.

انٹیگریٹڈ ایکٹو موڈ لاکڈ لیزر کے موجودہ ٹیوننگ تجزیہ کے نتائج
اس کے علاوہ، ایکٹو موڈ لاکنگ میکانزم پر مبنی روایتی سالڈ سٹیٹ اور فائبر موڈ لاکڈ لیزرز صرف بیرونی ماڈیولیشن فریکوئنسی کی ایک محدود رینج کے اندر موڈ لاکنگ حاصل کر سکتے ہیں، اور جب بیرونی ماڈیولیشن فریکوئنسی متعلقہ رینج سے تجاوز کر جاتی ہے، لیزر آؤٹ پٹ آپٹیکل نبض اپنے طے شدہ مرحلے کے تعلق کو کھو دے گی (یعنی، یہ ہم آہنگی کھو دیتا ہے)۔ جیسا کہ اوپر دی گئی تصویر میں دکھایا گیا ہے، روایتی ایکٹیو موڈ لاکڈ لیزرز کے مقابلے میں، اس مطالعے میں محسوس کیا گیا مربوط لیتھیم نائوبیٹ آن چپ موڈ لاکڈ لیزر پلس ریپیٹیشن فریکوئنسی کی ایک بڑی ٹیون ایبل رینج رکھتا ہے اور مربوط آپٹیکل دالیں پیدا کرنے کی صلاحیت رکھتا ہے۔ 200 میگاہرٹز ماڈیولیشن فریکوئنسی رینج۔ اس کے علاوہ، پلس لیزر کی کیریئر فریکوئنسی اور پلس ریپیٹیشن فریکوئنسی کو لیزر کے پمپ کرنٹ یا ماڈیولیشن فریکوئنسی کو ایڈجسٹ کرکے نمایاں طور پر تبدیل کیا جا سکتا ہے۔ اس کا مطلب یہ ہے کہ موڈ لاکڈ لیزر کو مختلف طریقوں سے جوڑ کر بنایا جا سکتا ہے۔ لیزر کے پمپ کرنٹ یا ماڈیولیشن فریکوئنسی کو درست طریقے سے کنٹرول کرتے ہوئے، نبض کی تکرار کی فریکوئنسی اور لیزر کی کیریئر فریکوئنسی کو درست طریقے سے کنٹرول کیا جا سکتا ہے، اس طرح ایک آپٹیکل فریکوئنسی کنگھی کا احساس ہوتا ہے جو فریکوئنسی کو درست طریقے سے کنٹرول کر سکتا ہے، جو عین تعدد میں ایپلی کیشنز کے لیے بہت اہمیت کا حامل ہے۔ پیمائش
روایتی سیمی کنڈکٹر موڈ لاکڈ لیزرز عام طور پر ایک ہی سیمی کنڈکٹر چپ پر گین ریجن اور سیچو ایبل جاذب (موڈ لاک عنصر) کو مربوط کرتے ہیں۔ ٹرائیبو فائیو سیمی کنڈکٹر کی پیچیدہ کیریئر ڈائنامکس کی وجہ سے، لیزر صرف انتہائی کم رفتار سے چلنے والے پمپ کرنٹ آپریٹنگ ریجن میں الٹرا شارٹ پلس جنریشن حاصل کر سکتا ہے، جو کہ ہائی پاور لیزر آؤٹ پٹ کے حصول کے لیے موزوں نہیں ہے۔ تاہم، یہ مطالعہ ایک فعال موڈ لاکنگ عنصر کے طور پر پتلی فلم لیتھیم نائوبیٹ کو استعمال کرتے ہوئے ٹرائیبو فائیو سیمی کنڈکٹر کی ہائی پاور آؤٹ پٹ صلاحیت کو مکمل طور پر ظاہر کرتا ہے۔
پتلی فلم لیتھیم نیبیٹ کی بہترین خصوصیات کی بنیاد پر، ٹیم نے پتلی فلم لیتھیم نیبیٹ، مربوط آپٹکس اور نان لائنر آپٹکس کے شعبوں میں نتائج کی ایک سیریز حاصل کی ہے۔ مثال کے طور پر، پتلی فلم لیتھیم نائوبیٹ نانو فوٹوونکس کے دوسرے آرڈر کے نان لائنر آپٹیکل اثر کو آج تک ایک مربوط آپٹکس پلیٹ فارم پر تیز ترین (46 فیمٹوسیکنڈز)، انتہائی کم توانائی (80 فیمٹوکینیٹک) آل آپٹیکل سوئچنگ کا مظاہرہ کرنے کے لیے استعمال کیا گیا۔ پتلی فلم لیتھیم نیبیٹ پلیٹ فارم پر، ہم نے بہت زیادہ گین (100 dB/cm) اور بہت بڑے گین بینڈوتھ (600 nm) کے ساتھ ایک آپٹیکل پیرامیٹرک ایمپلیفائر کا بھی احساس کیا ہے، فریکوئنسی ٹیون ایبل آپٹیکل پیرامیٹرک آسکیلیٹر کی ایک وسیع رینج، اور مربوط آپٹکس کے میدان میں آج تک سب سے زیادہ کوانٹم کمپریشن (4.9 ڈی بی)۔
سائنس کے ایڈیٹر ایان ایس اوزبورن نے اس تحقیق کی تعریف کی: "موڈ لاکڈ لیزرز الٹرا فاسٹ سائنس میں ایک جدید ٹیکنالوجی ہیں، جو الٹرا شارٹ کوہرنٹ آپٹیکل پلسز اور عین وقفہ کے ساتھ فریکوئنسی کنگھیوں کو فعال کرتی ہیں۔ III-V گین میڈیم کو مربوط کرکے لیتھیم نائوبیٹ فیز ماڈیولیٹر، ہم نے روایتی موڈ لاکڈ لیزرز کی سائز کی رکاوٹوں کو توڑا ہے اور چپ اسکیل میں کمی کرتے ہوئے بہترین کارکردگی کے ساتھ موڈ لاکڈ لیزر کو محسوس کیا ہے۔ اس تحقیق کے نتائج سے توقع کی جاتی ہے کہ جدید ترین عملی اطلاقات ہوں گے۔ فیلڈز جیسے صحت سے متعلق پیمائش اور سپیکٹروسکوپی۔"