Istraživači UC Santa Barbara razvili su kompaktni, jeftini laser koji suparnički izvedba laboratorijskih sustava. Koristi atome rubidija i napredne tehnike integracije čipa kako bi se omogućile primjene kao što su kvantno računanje, vrijeme za vrijeme i okoliš, uključujući gravitacijsko mapiranje na satelitu.
Laseri su neophodni za eksperimente koji zahtijevaju ultra precizno atomsko mjerenje i kontrolu, kao što su dvofotonski atomski satovi, senzori interferometra hladnog atoma i kvantna vrata. Ključ za učinkovitost lasera je njihova spektralna čistoća, što je emisija svjetlosti samo jedne boje ili frekvencije. Danas se postizanje ultra-niskog šuma, stabilna svjetlost potrebna za ove aplikacije, oslanja se na glomazne i skupe laserske sustave Benchtop dizajnirane za generiranje i upravljanje fotonima unutar uskog spektralnog raspona.
Ali što ako bi ove atomske aplikacije mogle izbjeći granice laboratorija i klupe? Ovo je vizija koja pokreće istraživanje u laboratoriju Daniela Blumenthala, profesora inženjerskog inženjerstva na UC Santa Barbari, gdje njegov tim radi na ponovnom ponavljanju performansi ovih visoko preciznih lasera u laganim ručnim uređajima.
"Ovi mali laseri omogućit će skalabilna laserska rješenja za praktične kvantne sustave, kao i lasere za prijenosne, terenske i svemirske kvantne senzore", rekao je Andrei Isichenko, diplomski istraživač u Blumenthalovom laboratoriju. "To će imati posljedice na tehnološka područja kao što su kvantno računanje pomoću neutralnih atoma i zarobljenih iona, kao i kvantnih senzora hladnog atoma kao što su atomski satovi i gravimetri."
U radu objavljenom u časopisu Scientific Reports, Blumenthal, Isichenko i njihov tim opisuju razvoj ultra-niske širine širine šipke sa samo-injekcijom 780- nanometra u ovom smjeru. Istraživači kažu da uređaj, što je otprilike veličine okvira za šibice, može nadmašiti trenutnu širinu uske linije 780- NM lasera u djeliću troškova proizvodnje i prostora.
Atomi rubidija odabrani su za laser jer imaju dobro poznata svojstva koja ih čine idealnim za različite aplikacije visoke preciznosti. Stabilnost njihovog D2 optičkog prijelaza čini ih idealnim za atomske satove; Osjetljivost atoma također ih čini popularnim izborom za senzore i fiziku hladno-atoma. Prolazeći laser kroz paru atoma rubidija koji služe kao atomska referenca, blisko infracrveni laser poprima svojstva stabilnog atomskog prijelaza.
"Koristite atomsku tranzicijsku liniju za hvatanje lasera", kaže Blumenthal, viši autor papira. "Drugim riječima, zaključavanjem lasera na atomsku tranzicijsku liniju, laser manje ili više preuzima svojstva tog atomskog prijelaza u smislu stabilnosti."
Ali maštovito crveno svjetlo ne čini precizni laser. Da biste dobili idealnu kvalitetu laserskog svjetla, "buka" mora se ukloniti. Blumenthal ga opisuje kao ugađanje vilice nasuprot gitarskom nizu. "Ako pogodite C vilicom za podešavanje, to bi mogao biti vrlo savršen C", objašnjava. "Ali ako udarite u C na gitari, u njoj možete čuti druge tonove." Slično tome, laserska svjetlost može sadržavati različite frekvencije (boje), stvarajući dodatne "tonove". Da bi se proizvela potrebna jednostruka frekvencija (u ovom slučaju čisto duboko crveno svjetlo), sustav koristi dodatne komponente kako bi dodatno izgladio lasersko svjetlo. Izazov istraživača bio je spakirati svu ovu funkcionalnost i performanse na jedan čip.
"Tim je koristio kombinaciju komercijalno dostupnih laserskih dioda Fabry-Perot, valovoda s najnižim gubicima na svijetu (napravio Blumenthalov laboratorij) i najkvalitetnijih rezonatora faktora, svi proizvedeni na platformi silikonskog nitrida. U stanju ponoviti performanse glomaznih sustava Benchtop -- Prema njihovim testovima, njihov je uređaj nadmašio neke lasere na klupi, kao i prethodno prijavljene integrirane lasere, po četiri reda veličine u ključnim mjernim podacima poput frekvencijske buke i linijskog širine.
"Značaj vrijednosti niske širine linije je u tome što možemo postići kompaktne lasere bez žrtvovanja laserskih performansi", objasnio je Isichenko. "Na neki se način performanse poboljšavaju u usporedbi s konvencionalnim laserima zbog pune integracije čipsa koja je postignuta. Ove širine linije pomažu nam da bolje komuniciramo s atomskim sustavom, eliminirajući doprinos laserske buke i na taj način u potpunosti razriješivši atomske signale u odgovor na okoliš koji osjećaju itd. "
Niske širine linije za ovaj projekt su rekordno nisko sub-hertz temeljne i sub-kilohertz integrirane širine linije, pokazujući stabilnost i sposobnost laserske tehnologije za prevladavanje buke iz vanjskih i unutarnjih izvora.
Ostale prednosti tehnologije uključuju Cost-It koristi 50 USD dioda i izrađuje se korištenjem ekonomičnog i skalabilnog proizvodnog procesa koji je izgrađen korištenjem procesa vafle kompatibilnih s CMOS-om, posuđujući iz svijeta proizvodnje elektroničkog čipa. Uspjeh ove tehnologije znači da bi se ovi visoki, visoko precizni, jeftini fotonski integrirani laseri mogli rasporediti u raznim postavkama unutar i izvan laboratorija, uključujući kvantne eksperimente, atomsko vrijeme i osjet na najslabije signale, poput promjena u gravitacijskom ubrzanju oko zemlje.
"Možete staviti ove instrumente na satelite i mapirati gravitaciju u i oko zemlje s nekom točnošću", rekao je Blumenthal. "Mogli biste osjetiti gravitacijsko polje oko zemlje kako biste izmjerili porast razine mora, promjene morskog leda i potresa." Dodao je: "Ova je tehnologija kompaktna, mala i lagana, što je čini idealnim za implementaciju u svemiru."
