Stanfordin yliopiston sähkötekniikan professorin Jelena Vučkovićin johtama tutkijaryhmä on ollut edelläkävijä titaanista jalokivistä (Ti:safiiri) laserin integroimisesta sirulle (jota voidaan pumpata vihreällä laserosoittimella). Verrattuna mihin tahansa muuhun tällä hetkellä saatavilla olevaan titaanijalokivilaseriin, tämä prototyyppi on neljä suuruusluokkaa pienempi (eli kymmenen tuhannesosa alkuperäisestä) ja kolme suuruusluokkaa alhaisempi kustannuksiltaan (eli tuhannesosa alkuperäisestä).
Titaaninen jalokivilaserit ovat suuren vahvistuksen kaistanleveyden ja ultranopean pulssilähtönsä ansiosta välttämättömiä sellaisilla aloilla kuin huippuluokan kvanttioptiikka, spektroskopia ja neurotiede. Niiden suuri koko ja korkea hinta (satoja tuhansia dollareita kukin) sekä tarve suuritehoisille laitteille (joista kukin myydään noin 30 dollarilla,000) ovat kuitenkin rajoittaneet niiden laajaa käyttöä.
"Stanfordin nano- ja kvanttifotoniikan laboratoriossa olemme tehneet useita kvanttikokeita, jotka perustuvat solid-state-spin-kvanttibitteihin sellaisissa materiaaleissa kuin timantti ja piikarbidi. Tämä koe on vahvasti riippuvainen kaupallisista titaani-jalokivilasereista." Joshua Yang, Vučkovićin tiimin tohtoriopiskelija, selittää.
Sen lisäksi, että titaani jalokivilaserit ovat kalliita, ne ovat monimutkaisia ja vaativat usein säännöllistä huoltoa, jotta ne toimivat hyvin. Prof. Vučkovićin tutkimusryhmä tekee suuren määrän kokeita, joihin titaanijalokivilasereilla ei ole tarpeeksi koneaikaa, ja siksi heidän on jaettava laitteet ja hallittava koeaikataulua. Lisäksi, koska kokeisiin vaadittu teho on paljon pienempi kuin kaupallisten titaani-jalokivilaserien lähtöteho, lasertehoa voidaan vaimentaa vain muutaman suuruusluokan verran, mikä johtaa siihen, että suuri osa lasertehosta menee hukkaan.
Yang sanoi: "Sirumittakaiset titaanisafiirilaserit voivat alhaisten kustannustensa, kompaktiutensa ja vakautensa vuoksi korvata kaupalliset titaani-jalokivilaserjärjestelmät, joita tällä hetkellä käytetään tarkkuuskokeissamme."
Kuva 1: Professori Jelena Vučkovićin tutkimusryhmän kehittämä sirukokoinen titaanijalokivilaser. Laser lepää vinosti titaanikiveä vasten, molemmat lepäävät neljänneksellä.
Älykäs lasersuunnittelu
Ryhmän kehittämä sirumittakaavainen laser koostuu kahdesta pääosasta: aaltoputkesta ja rengasresonaattorista.
Kerros titaania jalokiviä asetetaan piidioksidi (SiO2) -substraatin päälle, joka sitten asetetaan safiirikiteen päälle. Titaaninen jalokivikerros hiotaan, syövytetään ja kiillotetaan vain muutaman sadan nanometrin paksuuteen. Sitten se kuvioitiin aaltoputkella, joka toimii pienten harjanteiden pyörteenä, joka ohjaa valoa sen kulkiessa sen läpi.
Aaltoputken lämmittämiseen käytetään pienoislämmitintä, joka muuttaa aaltoputken taitekerrointa ja nopeutta, jolla valo kulkee aaltoputken läpi, niin että lähtöaallonpituutta voidaan säätää eri aallonpituuksilla punaisesta infrapunaan (tällä hetkellä säädettävissä). 60 nm:iin).
"Spiraalin muotoinen aaltoputki vastaa laserin vahvistinta, ja teho kasvaa laserin kulkiessa läpi." Yang selittää: "Rengasresonaattori toimii sekä suodattimena, joka moduloi laserin aallonpituutta mikrolämmittimien kautta, että laserin resonanssiontelona - toimii kierrätysreittinä laserlähetykselle."
Kuva 2: Optinen kuva titaanista jalokivistä aaltoputkivahvistimesta, jonka mitat ovat 0,5 mm x 0,5 mm.
Haasteita sirumittakaavaisille titaani jalokivilasereille
Titaanista valmistettujen jalokivilaserien suurin vaikeus on, että ne vaativat korkean intensiteetin pumppausta toimiakseen. Toteuttamalla titaani jalokivilaserteknologian erittäin tarkan aaltoputken avulla tutkimusryhmä saavutti kaksi tärkeää läpimurtoa:
Ensinnäkin, koska pumppausintensiteetti on teho jaettuna pinta-alalla, titaanista valmistettujen jalokivioptisten aaltoputkien käyttö vähentää merkittävästi pumppausaluetta. "Tämä tarkoittaa, että tarvitaan vain vähemmän tehoa (noin 1000 kertaa vähemmän), jotta saavutetaan samanlainen pumppausintensiteetti kuin kaupallisissa titaanijalokivijärjestelmissä." Yang selittää: "Joten jopa halpa vihreän valon puolijohdelaser on tarpeeksi tehokas pumppaamaan tämän sirumittakaavan laserin."
Toiseksi titaaninen jalokivilaser on integroitu sirulle. "Sirun mittakaavan safiirilaserilla (ilman liikkuvia osia) on miniatyrisointi, skaalautuvuus ja kestävyys, jotka ovat vertaansa vailla kaupallisilla laserilla laajamittaisessa kiekkotason puolijohdevalmistuksessa." Yang lisäsi.
Yangille tämän työn kohokohta on tämän sirun mittakaavan titaanista jalokivilaserin käyttö kvanttikokeisiin. Hän sanoi: "Oli suuri yllätys nähdä tämä pieni laite korvaavan tilaa vievän kaupallisen laserjärjestelmän monimutkaisessa kaviteettikvanttielektrodynamiikka (QED) -kokeessa. Koska kehittämämme sirumittakaavan laserit ovat todella poikkeuksellisia."
Yksi haasteista, jotka Vučkovićin tutkimusryhmä joutui voittamaan saadakseen sirun mittakaavan titaanijalokivilaserista todella käyttökelpoisen kvanttikokeisiin, oli pumpun lähteen kytkennän optimointi. "Kokeissa laser pumpataan vapaan tilan valopolun läpi", Yang sanoo, "mutta fotonipakkaustekniikalla on mahdollista integroida vihreän valon puolijohdelaser, joka toimii pumppulähteenä sirukokoiselle titaanijalokivelle. Laser Optimoimalla pakkausjärjestelmän ja pumppulähteen kytkentä voidaan saavuttaa suurempi laserteho, ja laser on sekä kannettava että kestävä."
Mahdolliset sovellukset
Sirumittakaavaisilla titaanijalokivilasereilla on laaja valikoima sovelluksia kvanttiteknologioista, kuten kvanttilaskennasta ja atomikelloista, lääketieteellisiin sovelluksiin, kuten optiseen koherenssitomografiaan ja kaksifotonimikroskooppiin.
"Toivottavasti tämä tekniikka kypsyy ja sitä käytetään näillä aloilla lähivuosina", Yang sanoi. Valmistuttuaan tänä kesänä hän työskentelee Brightlight Photonics -yrityksessä, jonka tehtävänä on helpottaa sirumittakaavaisten titaanijalokivilaserien kaupallistamista.
Tällä hetkellä Jelena Vučković ja hänen tutkimusryhmänsä työskentelevät viritettävän tilalukitun sirumittakaavan titaanilaserin parissa.
Pulssilaserit "avaavat uusia mahdollisuuksia lasersovelluksille kvanttiteknologiassa, klassisessa tiedonkäsittelyssä ja biolääketieteessä", professori Vučković sanoi.
