Laserit ovat mullistaneet maailman 1960-luvulta lähtien, ja ne ovat nyt korvaamattomia työkaluja nykyaikaisissa sovelluksissa aina huippuluokan kirurgiasta ja tarkkuusvalmistuksesta kuituoptiseen tiedonsiirtoon.
Mutta kun lasersovellusten kysyntä kasvaa, kasvavat myös haasteet. Kasvavat markkinat ovat esimerkiksi kuitulasereille, joita käytetään nykyään pääasiassa teollisissa leikkaus-, hitsaus- ja merkintäsovelluksissa.
Kuitulaserit käyttävät harvinaisten maametallien (erbium, ytterbium, neodyymi jne.) seostettuja optisia kuituja optisen vahvistuksen lähteenä (osa, joka tuottaa laservaloa). Kuitulaserit lähettävät korkealaatuisia säteitä, joilla on korkea lähtöteho, korkea hyötysuhde, vähän huoltoa ja kestävyyttä, ja ne ovat tyypillisesti pienempiä kuin kaasulaserit. Kuitulaserit ovat myös "kultastandardi" matalavaihekohinalle, mikä tarkoittaa, että niiden säteet voivat olla vakaita pitkiä aikoja.
Tästä huolimatta sirumittakaavaisten kuitulaserien miniatyrisoinnin kysyntä on kasvava. Erbiumpohjaiset kuitulaserit ovat erityisen kiinnostavia, koska ne täyttävät kaikki laserin koherenssin ja stabiilisuuden korkean tason vaatimukset. Kuitulaserien suorituskyvyn ylläpitäminen pienissä mittakaavassa on kuitenkin ollut haaste pienoiskuitulasereille.
Nyt tutkijat, joita johtavat tohtori Yang Liu ja professori Tobias Kippenberg EPFL:stä, ovat valmistaneet ensimmäiset siruun integroidut erbium-seostetut aaltoputkilaserit, joiden suorituskyky on lähellä kuitulaserien suorituskykyä, samalla kun ne yhdistävät laajan aallonpituuden virittävyyden ja sirumittakaavan fotonimisen. liittäminen. Tutkimus julkaistiin Nature Photonicsissa.
Sirumittakaavaisten lasereiden rakentaminen
Tutkijat kehittivät sirumittakaavan erbiumlasereita käyttämällä huippuluokan valmistusprosesseja. He rakensivat ensin yhden metrin pituisen optisen ontelon (optista palautetta antavia peilejä), jotka perustuvat erittäin pienihäviöiseen piinitridifotoniiseen integroituun piiriin.
Dr. Yang Liu sanoi: "Pienestä sirun koosta huolimatta pystyimme suunnittelemaan laserontelon yhden metrin pituiseksi näiden mikroviaresonaattoreiden integroinnin ansiosta, jotka laajentavat tehokkaasti optista polkua fyysisesti suurentamatta laitetta."
Tämän jälkeen ryhmä istutti piiriin suuren pitoisuuden erbium-ioneja luodakseen valikoivasti laserointiin tarvittavan aktiivisen vahvistusväliaineen. Lopuksi he integroivat piirin ryhmän III-V puolijohdepumpatulla laserilla virittämään erbium-ionit lähettämään valoa ja tuottamaan lasersäteen.
Laserin suorituskyvyn parantamiseksi ja tarkan aallonpituuden säädön saavuttamiseksi tutkijat kehittivät innovatiivisen intracavity-rakenteen, jossa on mikrohuokoinen Vernier-pohjainen suodatin, optinen suodatin, joka mahdollistaa tietyn optisen taajuuden valinnan.
Tämä suodatin mahdollistaa laserin aallonpituuden dynaamisen virityksen useilla eri aallonpituuksilla, mikä tekee siitä monipuolisen ja sopivan monenlaisiin sovelluksiin. Tämä rakenne tukee vakaita yksimuotolasereita, joiden sisäinen viivanleveys on vaikuttavan kapea, vain 50 Hz.
Siinä on myös merkittävä sivutilan vaimennus, jossa laser pystyy lähettämään valoa yhdellä, vakaalla taajuudella minimoimalla muiden taajuuksien intensiteetin ("sivutilat"). Tämä varmistaa "puhtaan" ja vakaan lähdön koko spektrialueella erittäin tarkkoja sovelluksia varten.
Optinen kuva integroidusta hybridilaseerista, joka perustuu erbium-seostettuun fotoniseen integroituun piiriin, joka tarjoaa kuitulaserin koherenssin ja aiemmin saavuttamattoman taajuuden virittävyyden.
Teho, tarkkuus, vakaus ja alhainen melu
Sirumittakaavan erbiumkuitulaserin lähtöteho on yli 10 mW ja sivutilan hylkäyssuhde yli 70 dB, mikä on moniin perinteisiin järjestelmiin verrattuna parempi.
Sillä on myös erittäin kapea viivanleveys, mikä tarkoittaa, että sen lähettämä valo on erittäin puhdasta ja vakaata, mikä on tärkeää koherenteille sovelluksille, kuten tunnistus, gyroskoopit, LIDAR ja optinen taajuusmetrologia.
Mikroaukkopohjainen Vernier-suodatin mahdollistaa laserin laajan 40 nm:n aallonpituuden viritettävyyden sekä C- että L-kaistalla (televiestinnässä käytetty aallonpituusalue), mikä ylittää perinteiset kuitulaserit sekä virityksen että matalan spektripiikkien suhteen. metriikka ("piikit" ovat ei-toivottuja taajuuksia), samalla kun ne ovat yhteensopivia nykyisten puolijohteiden valmistusprosessien kanssa, ovat yhteensopivia.
Seuraavan sukupolven laserit
Erbiumkuitulaserien pienentäminen ja integrointi sirumittakaavaisiin laitteisiin alentaa niiden kokonaiskustannuksia, mikä mahdollistaa niiden käytön kannettavissa, pitkälle integroiduissa tietoliikenne-, lääketieteellisen diagnostiikan ja kulutuselektroniikan järjestelmissä.
Se voi myös pienentää optista teknologiaa moniin muihin sovelluksiin, kuten LIDARiin, mikroaaltofotoniikkaan, optiseen taajuussynteesiin ja vapaan tilan viestintään.
