Raziskovalci UC Santa Barbara so razvili kompaktni, poceni laser, ki je tekmeca na zmogljivosti sistemov laboratorij. Uporablja rubidijeve atome in napredne tehnike integracije čipov, da omogoča aplikacije, kot so kvantno računalništvo, časovno vzdrževanje in zaznavanje okolja, vključno s satelitsko gravitacijsko karto.
Laserji so nepogrešljivi za eksperimente, ki zahtevajo ultra presledno atomsko merjenje in nadzor, kot so dvofotonske atomske ure, senzorje interferometra hladnega atoma in kvantna vrata. Ključnega pomena za učinkovitost laserjev je njihova spektralna čistost, ki je emisija svetlobe samo ene barve ali frekvence. Danes doseganje ultra nizke hrupa, stabilne svetlobe, potrebne za te aplikacije, se opira na obsežne in drage laserske sisteme Benchtop, zasnovane za ustvarjanje in upravljanje fotonov v ozkem spektralnem območju.
Kaj pa, če bi te atomske aplikacije lahko izognile omejitvam laboratorija in klopi? To je raziskovanje vizije v laboratoriju Daniela Blumenthala, profesorja inženiringa v UC Santa Barbara, kjer njegova ekipa prizadeva za ponovitev uspešnosti teh visoko natančnih laserjev v lahkih ročnih napravah.
"Ti majhni laserji bodo omogočili razširljive laserske rešitve za praktične kvantne sisteme, pa tudi laserje za prenosne, na terenu in vesoljske kvantne senzorje," je dejal Andrei Isichenko, diplomirani raziskovalec v Blumenthalovem laboratoriju. "To bo imelo posledice za tehnološka območja, kot je kvantno računalništvo z uporabo nevtralnih atomov in ujetih ionov, pa tudi kvantne senzorje, kot so atomske ure in gravimetri."
V prispevku, objavljenem v reviji Scientific Reports, Blumenthal, Isichenko in njihova ekipa opisujejo razvoj laserskega laserja, ki je zaklenjen s samo-injekcijo, ki je bila zaostrirana z nanometrom, ki je bila zaklenjena s čipom. Raziskovalci pravijo, da lahko naprava, ki je približno velikost matchbox-a, preseže trenutne ozke razdelitve 780- nm laserjev za delček proizvodnih stroškov in prostora.
Atomi Rubidium so bili izbrani za laser, ker imajo dobro znane lastnosti, zaradi katerih so idealne za različne aplikacije z visoko natančnostjo. Stabilnost njihovega optičnega prehoda D2 je idealna za atomske ure; Občutljivost Atomov je tudi priljubljena izbira za senzorje in fiziko hladnega atoma. S prehodom laserja skozi paro rubidijevih atomov, ki služijo kot atomska referenca, bližnji infrardeči laser prevzame lastnosti stabilnega atomskega prehoda.
"Uporabite atomsko prehodno linijo, da ujamete laser," pravi Blumenthal, višji avtor prispevka. "Z drugimi besedami, z zaklepom laserja na atomsko prehodno črto laser bolj ali manj prevzame lastnosti tega atomskega prehoda v smislu stabilnosti."
Toda domišljijska rdeča luč ne pomeni natančnega laserja. Da bi dobili idealno kakovost laserske svetlobe, je treba odstraniti "hrup". Blumenthal ga opisuje kot uglaševanje vilice v primerjavi s kitaro. "Če udarite v C z vilico za nastavitev, je to morda zelo popoln C," pojasnjuje. "Toda če na kitaro udarite v C, lahko v njej slišite druge tone." Podobno lahko laserska svetloba vsebuje različne frekvence (barve), kar ustvarja dodatne "tone". Za izdelavo potrebne enojne frekvence (v tem primeru čista globoka rdeča luč) sistem uporablja dodatne komponente za nadaljnjo zgladitev laserske svetlobe. Izziv za raziskovalce je bil, da vso to funkcionalnost in zmogljivost spakirajo na en sam čip.
"Ekipa je uporabila kombinacijo komercialno dostopnih laserskih diod Fabry-Perot, valovodov z najnižjo izgubo na svetu (izdelal Blumenthalov laboratorij) in najkvalitetnejši faktorski resonator Sposobnost ponovitve zmogljivosti obsežnih sistemov Benchtop -- po njihovih testih je njihova naprava presegla nekaj laserjev, ki so bili že predhodno poročani z integriranimi laserji, s štirimi zaporedji velikosti v ključnih metrikah, kot sta frekvenčni hrup in linijska širina.
"Pomen vrednosti nizke širine je ta, da lahko dosežemo kompaktne laserje, ne da bi pri tem žrtvovali laserske zmogljivosti," je pojasnil Isichenko. "Na nek način se uspešnost izboljša v primerjavi s konvencionalnimi laserji zaradi popolne dosežene integracije čipov. Te linije pomagajo bolje komunicirati z atomskim sistemom, kar odpravi prispevek laserskega hrupa in s tem v celoti reši atomske signale v odziv na okolje, ki ga čutijo itd. "
Nizke širine za ta projekt so rekordno nizke podpredsedniške temeljne in subkilohertz integrirane linije, ki prikazujejo stabilnost in sposobnost laserske tehnologije za premagovanje hrupa tako iz zunanjih kot notranjih virov.
Druge prednosti tehnologije vključujejo stroške-IT porabi 50 dolarjev diode in je izdelano s stroškovno učinkovitm in razširljivim proizvodnim postopkom, ki je izdelan s pomočjo procesov, ki so združljivi z CMOS, ki so združljivi s CMOS, ki se izposoja iz sveta proizvodnje elektronskih čipov. Uspeh te tehnologije pomeni, da bi lahko te visokozmogljive, visoko strokovno nizkocenovne fotonske integrirane laserje uporabili v različnih nastavitvah znotraj in zunaj laboratorija, vključno s kvantnimi poskusi, atomskim časom in zaznavanjem najšibkejših signalov, kot so spremembe gravitacijskega pospeška okoli zemlje.
"Te instrumente bi lahko postavili na satelite in z nekaj natančnosti preslikali gravitacijo v zemlji in okoli nje," je dejal Blumenthal. "Lahko bi začutili gravitacijsko polje okoli zemlje, da bi meril dvig morske gladine, spremembe v morskem ledu in potresi." Dodal je: "Ta tehnologija je kompaktna, nizka moč in lahka, zaradi česar je idealna za namestitev v vesolje."
