Skupina raziskovalcev, ki jo vodi Jelena Vučković, profesorica elektrotehnike na Univerzi Stanford, je začela integracijo laserja z dragim kamnom iz titana (Ti: safir) na čip (ki ga je mogoče črpati z zelenim laserskim kazalcem). V primerjavi s katerim koli drugim laserjem za drage kamne iz titana, ki je trenutno na voljo, je ta prototip za štiri velikostne rede manjši (tj. ena desettisočinka originala) in za tri rede velikosti nižji v ceni (tj. ena tisočinka izvirnika).
Laserji z dragimi kamni iz titana so zaradi svoje visoke pasovne širine ojačenja in ultrahitrega impulznega izhoda nepogrešljivi na področjih, kot so vrhunska kvantna optika, spektroskopija in nevroznanost. Njihova velika velikost in visoka cena (na stotine tisoč dolarjev vsaka) ter potreba po zmogljivih napravah (vsaka se prodaja za približno 30 $, 000) za njihovo črpanje so omejili njihovo široko uporabo.
"V Stanfordovem laboratoriju za nano in kvantno fotoniko smo izvedli več kvantnih eksperimentov, ki temeljijo na spin kvantnih bitih v trdnem stanju v materialih, kot sta diamant in silicijev karbid. Ta poskus se močno opira na komercialne laserje za drage kamne iz titana." Joshua Yang, doktorski študent v Vučkovićevi ekipi, pojasnjuje.
Poleg tega, da so laserji za drage kamne iz titana dragi, so zapleteni in pogosto zahtevajo redno vzdrževanje, da lahko dobro delujejo. Prof. Vučkovićeva raziskovalna skupina izvaja veliko število poskusov, za katere laserji za drage kamne iz titana nimajo dovolj strojnega časa, zato si morajo deliti opremo in upravljati urnik eksperimentov. Poleg tega, ker je moč, potrebna za poskuse, veliko nižja od izhodne moči komercialnih laserjev za drage kamne iz titana, se lahko laserski izhod oslabi le za nekaj velikostnih redov, zaradi česar se velik del laserske moči izgubi.
Yang je dejal: "Laserji s titanovim safirjem na čipu lahko zaradi svoje nizke cene, kompaktnosti in stabilnosti nadomestijo komercialne laserske sisteme za titanove drage kamne, ki se trenutno uporabljajo za naše natančne poskuse."
Slika 1: Laser za titanove drage kamne v velikosti čipa, ki ga je razvila raziskovalna skupina prof. Jelene Vučković. Laser se diagonalno naslanja na dragi kamen iz titana, oba počivata na četrtini.
Pameten laserski dizajn
Laser na čipu, ki ga je razvila ekipa, je sestavljen iz dveh glavnih delov: valovoda in obročnega resonatorja.
Plast dragih kamnov iz titana je nameščena na podlago iz silicijevega dioksida (SiO2), ki je nato nameščena na safirno steklo. Plast dragih kamnov iz titana je brušena, jedkana in polirana do debeline le nekaj sto nanometrov. Nato so ga oblikovali z valovodom, ki deluje kot vrtinec drobnih grebenov, ki vodijo svetlobo, ko potuje skozenj.
Za ogrevanje valovoda se uporablja miniaturni grelec, ki spremeni lomni količnik valovoda in hitrost, s katero svetloba potuje skozi valovod, tako da je mogoče prilagoditi izhodno valovno dolžino v razponu valovnih dolžin, od rdeče do infrardeče (trenutno nastavljivo do 60 nm).
"Valovod v obliki spirale je enakovreden ojačevalniku za laser in moč se poveča, ko laser prehaja." Yang pojasnjuje: "Obročasti resonator deluje tako kot filter za modulacijo valovne dolžine laserja prek mikrogrelnikov, kot resonančna votlina za laser - deluje kot recirkulacijska pot za laserski prenos."
Slika 2: Optična slika valovodnega ojačevalnika dragih kamnov iz titana z merami 0,5 mm x 0,5 mm.
Izzivi za laserje za titanove drage kamne na čipu
Največja težava z laserji za drage kamne iz titana je, da za delovanje potrebujejo visoko intenzivno črpanje. Z uresničitvijo laserske tehnologije dragih kamnov iz titana prek visoko natančnega valovoda je raziskovalna skupina dosegla dva pomembna odkritja:
Prvič, ker je intenzivnost črpanja moč deljena s površino, uporaba optičnih valovodov iz dragih kamnov iz titana znatno zmanjša območje črpanja. "To pomeni, da je potrebna le manjša moč (približno 1000-krat manj), da se doseže intenzivnost črpanja, podobna tisti pri komercialnih sistemih dragih kamnov iz titana." Yang pojasnjuje: "Torej je celo poceni polprevodniški laser z zeleno svetlobo dovolj močan za črpanje tega laserja v velikosti čipa."
Drugič, laser za drage kamne iz titana je vgrajen v čip. "Safirni laser v velikosti čipa (brez več gibljivih delov) ima miniaturizacijo, razširljivost in vzdržljivost, ki ji ni para komercialni laser za obsežno proizvodnjo polprevodnikov na ravni rezin." dodal Yang.
Za Yanga je vrhunec tega dela uporaba tega laserja titanovega dragega kamna v velikosti čipa za kvantne poskuse. Rekel je: "Bilo je veliko presenečenje videti to majhno napravo, ki nadomešča komercialni komercialni laserski sistem v eksperimentu kvantne elektrodinamike s kompleksno votlino (QED). Ker so laserji na čipu, ki smo jih razvili, resnično izjemni."
Eden od izzivov, ki jih je morala premagati Vučkovićeva raziskovalna skupina, da bi laser za titanove drage kamne v velikosti čipa postal resnično uporaben za kvantne eksperimente, je bila optimizacija sklopitve vira črpalke. "Za poskuse se laser črpa skozi svetlobno pot prostega prostora," pravi Yang, "toda s tehnologijo fotonske embalaže je mogoče integrirati polprevodniški laser z zeleno svetlobo, ki služi kot vir črpalke za titanov dragi kamen v velikosti čipa. Z optimizacijo sklopitve sistema za pakiranje in vira črpalke je mogoče doseči večjo moč laserja, laser pa je prenosljiv in trpežen."
Potencialne aplikacije
Laserji za titanove drage kamne na čipu imajo široko paleto aplikacij, od kvantnih tehnologij, kot so kvantno računalništvo in atomske ure, do medicinskih aplikacij, kot sta optična koherentna tomografija in dvofotonska mikroskopija.
"Upamo, da bo ta tehnologija dozorela in se bo uporabljala na teh področjih v naslednjih nekaj letih," je dejal Yang. Po diplomi letos poleti bo delal za Brightlight Photonics, podjetje, ki si bo prizadevalo za lažjo komercializacijo laserjev za titanove drage kamne v velikosti čipov.
Trenutno Jelena Vučković in njena raziskovalna skupina delajo na nastavljivem titanovem laserju z zaklenjenim načinom na čipu.
Pulzni laserji "bodo odprli nove priložnosti za laserske aplikacije v kvantni tehnologiji, klasični obdelavi informacij in biomedicini," je dejal prof. Vučković.
