Az UC Santa Barbara kutatói kifejlesztettek egy kompakt, olcsó lézert, amely a laboratóriumi szintű rendszerek teljesítményét rivális. Rubidium atomokat és fejlett chip-integrációs technikákat alkalmaz az olyan alkalmazások lehetővé tétele érdekében, mint a kvantumszámítás, az időmérés és a környezeti érzékelés, beleértve a műholdas alapú gravitációs térképezést.
A lézerek nélkülözhetetlenek olyan kísérletekhez, amelyekhez ultra-pontos atommérést és vezérlést igényelnek, például kétfotonos atomórákat, hideg-atom interferométer-érzékelőket és kvantumkapukat. A lézerek hatékonyságának kulcsa a spektrális tisztaságuk, amely csak egy szín vagy frekvencia fény kibocsátása. Manapság, az ultra alacsony zajú, stabil fény elérése, amelyekhez ezekhez az alkalmazásokhoz szükséges, a terjedelmes és drága Benchtop lézerrendszerekre támaszkodik, amelyek célja a fotonok létrehozása és kezelése egy keskeny spektrális tartományon belül.
De mi van, ha ezek az atomi alkalmazások elmenekülnének a laboratórium és a padlop határaitól? Ez a jövőkép-kutatás Daniel Blumenthal, az UC Santa Barbara mérnöki professzora laboratóriumában, ahol csapata azon dolgozik, hogy megismételje ezen nagy pontosságú lézerek teljesítményét könnyű, kézi eszközökben.
"Ezek a kis lézerek lehetővé teszik a skálázható lézeres megoldásokat a gyakorlati kvantumrendszerekhez, valamint a hordozható, terepi helyezett és űr alapú kvantumérzékelők számára"-mondta Andrei Isichenko, a Blumenthal laboratóriumának posztgraduális kutatója. "Ez kihatással lesz a technológiai területekre, például a kvantumszámításra semleges atomok és csapdába esett ionok, valamint a hideg-atom kvantumérzékelők, például az atomórák és a graviméterek felhasználásával."
A Scientific Reports folyóiratban közzétett cikkben, a Blumenthal, az Isichenko és csapatuk leírja egy chip-skála ultra-alacsony vonalszélesség-önkiszintő, önbefutó 780- nanométeres lézer fejlesztését ebben az irányban. A kutatók szerint az eszköz, amely körülbelül egy matchbox méretű, felülmúlhatja az aktuális keskeny szélességű 780- nm lézereket a gyártási költségek és a tér egy töredékén.
A rubidium-atomokat a lézerhez választottuk, mivel jól ismert tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek ideálisak különféle nagy pontosságú alkalmazásokhoz. A D2 optikai átmenetük stabilitása ideálissá teszi őket az atomórákhoz; Az atomok érzékenysége szintén népszerű választássá teszi őket az érzékelők és a hideg atomfizika számára. A lézer áthaladásával a rubidium atomok gőzén keresztül, amelyek atomi referenciaként szolgálnak, a közel infravörös lézer átveszi a stabil atomátmenet tulajdonságait.
"Az atomi átmeneti vonalat használja a lézer csapdájához" - mondja Blumenthal, a papír vezető szerzője. "Más szavakkal, ha a lézert az atomi átmeneti vonalhoz rögzítik, a lézer többé -kevésbé veszi figyelembe az atomi átmenet tulajdonságait a stabilitás szempontjából."
De a divatos vörös fény nem teszi lehetővé a precíziós lézert. A lézerfény ideális minőségének eléréséhez a "zajt" el kell távolítani. A Blumenthal úgy írja le, mint egy hangoló villát, szemben a gitárhúrral. "Ha egy C -t üt egy hangoló villával, akkor ez nagyon tökéletes C" - magyarázza. "De ha gitáron üt egy C -t, akkor más hangokat hallhat benne." Hasonlóképpen, a lézerfény különböző frekvenciákat (színeket) tartalmazhat, további "hangok" létrehozását. A szükséges egyetlen frekvencia előállításához (ebben az esetben a tiszta mélyvörös fény) a rendszer további alkatrészeket használ a lézerfény további simításához. A kutatók számára a kihívás az volt, hogy az összes funkciót és teljesítményt egyetlen chipre csomagolják.
"A csapat a kereskedelemben kapható Fabry-Perot lézerdiódák, a világ legalacsonyabb veszteségű hullámvezetőinek kombinációját használták (a Blumenthal laboratóriuma készítette), és a legmagasabb minőségű faktor rezonátorok, mindegyiket szilícium-nitrid platformon gyártották. Ennek megtételében voltak. Képes megismételni a -- terjedelmes benchtop rendszerek teljesítményét tesztjeik szerint, eszközük felülmúlta néhány Benchtop lézert, valamint a korábban bejelentett integrált lézereket, négy nagyságrenddel a kulcsfontosságú mutatókban, például a frekvencia -zajban és a vonalszélességben.
"Az alacsony vonalszélesség -értékek jelentősége az, hogy kompakt lézereket érhetünk el anélkül, hogy feláldoznánk a lézer teljesítményt" - magyarázta Isichenko. "Bizonyos értelemben a teljesítmény javul a hagyományos lézerekhez képest a teljes elért chip-méretű integráció miatt Válasz az általuk érzékelt környezetre stb. "
Az alacsony vonalszélességek, a projekthez, rekord-alacsony sub-hertz alapvető és al-kilohertz integrált vonalszélességek, bemutatva a lézertechnika stabilitását és képességét a zaj leküzdésére mind a külső, mind a belső forrásokból.
A technológia további előnyei között szerepel a költség-it 50 dolláros dióda, és egy költséghatékony és méretezhető gyártási folyamat felhasználásával készül, amelyet CMOS-kompatibilis ostya-méretű folyamatok felhasználásával építettek, az elektronikus chip gyártás világából kölcsönözve. Ennek a technológiának a sikere azt jelenti, hogy ezeket a nagyteljesítményű, nagy pontosságú, olcsó fotonikus integrált lézereket különféle beállításokban lehet telepíteni mind a laboratóriumban, mind a laboratóriumon belül és kívül, beleértve a kvantumkísérleteket, az atomi időzítést és a leggyengébb jelek érzékelését, például a föld körüli gravitációs gyorsulás változásai.
"Ezeket a műszereket a műholdakra helyezheti, és bizonyos pontossággal a földbe és a föld körüli gravitációra" - mondta Blumenthal. "Érezheti a föld körüli gravitációs mezőt a tengerszint emelkedése, a tengeri jég változásainak és a földrengések mérésének mérésére." Hozzátette: "Ez a technológia kompakt, alacsony teljesítményű és könnyű, így ideális az űrben történő telepítéshez."
