‘Laser xung tối’ tạo ra những xung hầu như... hư vô

Nghe có vẻ giống như là Thiền giáo, nhưng các nhà nghiên cứu tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kì (NIST) và JILA, liên viện của NIST và Đại học Colorado ở Boulder, vừa trình diễn một loại laser xung mới vượt trội ở việc không tạo ra ánh sáng. Dụng cụ mới phát ra những dòng “xung tối” duy trì liên tục – những “khoảng lặng” lặp lại trong cường độ sáng – ngược lại với các xung sáng trong một dụng cụ laser xung tiêu biểu.

alt

Vết tích đã tô màu của các xung phát ra là laser “xung tối” NIST/JILA, cho thấy ánh sáng phát ra hầu như tắt đi trong khoảng mỗi 2,5 nano giây. Ảnh: Talbott/NIST.

Bất chấp tên gọi đáng ngại của nó, laser xung tối được hình dung là một công cụ cho sự truyền thông ôn hòa và các phép đo dựa trên các tần số ánh sáng hồng ngoại. Các xung cực ngắn của laser trên kéo dài khoảng 90 pico giây (một phần nghìn tỉ của một giây), khiến dụng cụ trên thích hợp cho các phép đo trong những cỡ thời gian nhỏ. Các xung tối có thể có ích trong xử lí tín hiệu vì, không giống như các xung sáng, chúng thường truyền đi mà không bị nhiễu. Các xung tối có thể dùng như một cửa sập camera cho một chùm ánh sáng liên tục trong mạng quang học.

Được mô tả trên tờ Optics Express, công nghệ mới NIST/JILA là công nghệ đầu tiên phát ra các xung tối trực tiếp từ một hộp laser bán dẫn, mà không sự định hình các xung bằng điện hoặc bằng quang sau khi chúng sinh ra. Laser hồng ngoại kích cỡ bằng con chip trên phát ra ánh sáng từ hàng triệu chấm lượng tử (qdot), các vật liệu bán dẫn vi cấu trúc được nuôi cấy tại NIST. Các laser chấm lượng tử được biết là có hành vi khác thường.

Trong laser NIST/JILA mới, những dòng điện nhỏ được đưa vào laser, làm cho các chấm lượng tử phát ra ánh sáng. Các chấm lượng tử đều có kích thước bằng nhau – rộng khoảng 10 nano mét (một phần tỉ của một mét) – và vì vậy, do một thiết kế vi cấu trúc làm cho chúng hành xử giống như từng nguyên tử cá lẻ, đều phát ra ánh sáng có cùng tần số. Dòng điện phát ra đủ năng lượng để khuếch đại sự phát xạ từ các chấm thu, tạo ra các tính chất đặc biệt của ánh sáng laser.

Laser mới phụ thuộc vào cơ sở động lực học năng lượng bất thường của các qdot, chúng có tác dụng làm cân bằng các xung tối. Sau khi phát ra ánh sáng, các qdot hồi phục năng lượng từ bên trong một cách nhanh chóng (trong khoảng 1 pico giây) nhưng chậm hơn (trong khoảng 200 pico giây) từ năng lượng vào có nguồn gốc bên ngoài các qdot trong hộp cộng hưởng laser. Điều này tạo ra một chuỗi khuếch đại năng lượng chung dần dần nhượng bộ sự tổn thất năng lượng chung. Cuối cùng, laser đạt tới một trạng thái cân bằng của các khoảng mờ cường độ ngắn tuần hoàn – giảm khoảng 70% - từ phông nền ánh sáng liên tục.

Laser xung tối được phát triển qua sự hợp tác chặt chẽ giữa các chuyên gia NIST về sự nuôi cấy qdot và thiết kế và chế tạo laser bán dẫn, và các chuyên gia JILA về các laser cực nhanh và các phép đo có liên quan. NIST đã có những nỗ lực nghiên cứu đang triển khai để phát triển các laser chấm lượng tử và để phát triển các phương pháp mô phỏng, chế tạo, và đo lường cho các cấu trúc nano bán dẫn như các chấm lượng tử. Nói chung, các laser bán dẫn đã và đang được xem xét cho nhiều ứng dụng tiên tiến, thí dụ như các đồng hồ nguyên tử thế hệ tiếp theo hoạt động trên tần số quang học, mà với chúng các laser cỡ lớn thật tốn kém và phức tạp.