Tyrėjų komanda, vadovaujama Stanfordo universiteto elektrotechnikos profesorės Jelenos Vučković, ėmėsi titano brangakmenio (Ti: safyro) lazerio integravimo į lustą (kurią galima pumpuoti žaliu lazeriniu žymekliu). Palyginti su bet kuriuo kitu šiuo metu turimu titano brangakmenio lazeriu, šis prototipas yra keturiais dydžiais mažesnis (ty viena dešimtadaliu originalo) ir trimis eilėmis mažesnės kainos (ty viena tūkstantoji originalo).
Titano brangakmenių lazeriai dėl didelio pralaidumo ir itin greito impulso išvesties yra būtini tokiose srityse kaip pažangiausia kvantinė optika, spektroskopija ir neuromokslai. Tačiau didelis jų dydis ir didelė kaina (šimtai tūkstančių dolerių kiekvienas), taip pat didelio galingumo įrenginių (kiekvienas parduodamas už maždaug 30 USD,000) poreikis jiems siurbti apribojo platų jų naudojimą.
"Stanfordo nano ir kvantinės fotonikos laboratorijoje atlikome keletą kvantinių eksperimentų, pagrįstų kietojo kūno sukimosi kvantiniais bitais tokiose medžiagose kaip deimantas ir silicio karbidas. Šis eksperimentas labai priklauso nuo komercinių titano brangakmenių lazerių." Joshua Yang, Vučkovičiaus komandos doktorantas, paaiškina.
Be to, kad titano brangakmenių lazeriai yra brangūs, jie yra sudėtingi ir dažnai reikalauja reguliarios priežiūros, kad jie veiktų gerai. Prof. Vučkovićiaus tyrimų grupė atlieka daugybę eksperimentų, kuriems atlikti titano brangakmenių lazeriai neturi pakankamai mašininio laiko, todėl turi dalytis įranga ir valdyti eksperimentų tvarkaraštį. Be to, kadangi eksperimentams reikalinga galia yra daug mažesnė nei komercinių titano brangakmenių lazerių išvesties galia, lazerio galią galima susilpninti tik keliomis eilėmis, todėl didelė lazerio galios dalis išeikvojama.
Yang sakė: „Dėl mažų sąnaudų, kompaktiškumo ir stabilumo lustiniai titano safyro lazeriai gali pakeisti komercines titano brangakmenių lazerines sistemas, šiuo metu naudojamas mūsų tiksliems eksperimentams“.
1 pav. Prof. Jelenos Vučković tyrimų grupės sukurtas lusto mastelio titano brangakmenio lazeris. Lazeris įstrižai remiasi į titano brangakmenį, abu remiasi į ketvirtadalį.
Protingas lazerinis dizainas
Komandos sukurtas lusto mastelio lazeris susideda iš dviejų pagrindinių dalių: bangolaidžio ir žiedinio rezonatoriaus.
Ant silicio dioksido (SiO2) substrato uždedamas titano brangakmenių sluoksnis, kuris vėliau uždedamas ant safyro kristalo. Titano brangakmenio sluoksnis šlifuojamas, išgraviruotas ir nupoliruotas iki vos kelių šimtų nanometrų storio. Tada jis buvo nupieštas bangolaidžiu, kuris veikia kaip mažų keterų sūkurys, nukreipiantis šviesą, kai ji sklinda per jį.
Bangolaidžiui šildyti naudojamas miniatiūrinis šildytuvas, kuris keičia bangolaidžio lūžio rodiklį ir greitį, kuriuo šviesa sklinda per bangolaidį, kad būtų galima reguliuoti išėjimo bangos ilgį įvairiais bangų ilgiais, nuo raudonos iki infraraudonosios (šiuo metu reguliuojama). iki 60 nm).
"Spiralės formos bangolaidis prilygsta lazerio stiprintuvui, o galia didėja, kai lazeris praeina." Yang paaiškina: "Žiedo rezonatorius veikia ir kaip filtras, moduliuojantis lazerio bangos ilgį per mikrošildytuvus, ir kaip lazerio rezonansinė ertmė - veikia kaip lazerio perdavimo recirkuliacijos kelias."
2 pav. Titano brangakmenio bangolaidžio stiprintuvo, kurio matmenys 0,5 mm x 0,5 mm, optinis vaizdas.
Iššūkiai lustų mastelio titano brangakmenių lazeriams
Didžiausias titano brangakmenių lazerių sunkumas yra tas, kad jiems reikia didelio intensyvumo siurbimo. Įgyvendindama titano brangakmenių lazerinę technologiją per didelio tikslumo bangolaidį, tyrimų grupė padarė du svarbius laimėjimus:
Pirma, kadangi siurbimo intensyvumas yra padalytas iš ploto, naudojant titano brangakmenio optinius bangolaidžius žymiai sumažėja siurbimo plotas. „Tai reiškia, kad reikia tik mažiau galios (apie 1000 kartų mažiau), kad būtų pasiektas siurbimo intensyvumas, panašus į komercinių titano brangakmenių sistemų. Yang paaiškina: „Taigi net pigus žalios šviesos puslaidininkinis lazeris yra pakankamai galingas, kad galėtų pumpuoti šį lusto masto lazerį.
Antra, titano brangakmenio lazeris yra integruotas į lustą. „Lustų mastelio safyro lazeris (be daugiau judančių dalių) turi miniatiūrizavimą, mastelį ir ilgaamžiškumą, neprilygstamą komerciniams lazeriams, skirtiems didelio masto plokštelių lygio puslaidininkių gamybai. pridūrė Yang.
Yangui šio darbo akcentas yra šio lusto masto titano brangakmenio lazerio naudojimas kvantiniams eksperimentams. Jis sakė: "Buvo labai netikėta pamatyti šį mažytį įrenginį, pakeičiantį didelių gabaritų komercinę lazerinę sistemą sudėtingame ertmės kvantinės elektrodinamikos (QED) eksperimente. Kadangi mūsų sukurti lusto skalės lazeriai yra tikrai išskirtiniai."
Vienas iš iššūkių, kuriuos turėjo įveikti Vučkovićiaus tyrėjų komanda, kad lusto masto titano brangakmenių lazeris būtų tikrai tinkamas kvantiniams eksperimentams, buvo siurblio šaltinio sujungimo optimizavimas. "Eksperimentams lazeris pumpuojamas per laisvos erdvės šviesos kelią", - sako Yang, "tačiau naudojant fotoninę pakavimo technologiją galima integruoti žalios šviesos puslaidininkinį lazerį, kuris yra lusto masto titano brangakmenio siurblio šaltinis. Optimizavus pakavimo sistemos ir siurblio šaltinio sujungimą, galima pasiekti didesnės galios lazerio galią, o lazeris yra nešiojamas ir patvarus.
Galimos programos
Lustinės skalės titano brangakmenių lazeriai turi platų pritaikymo spektrą – nuo kvantinių technologijų, tokių kaip kvantinis skaičiavimas ir atominiai laikrodžiai, iki medicininių pritaikymų, tokių kaip optinė koherentinė tomografija ir dviejų fotonų mikroskopija.
„Tikimės, kad per ateinančius kelerius metus ši technologija subręs ir bus naudojama šiose srityse“, – sakė Yang. Šią vasarą baigęs studijas jis dirbs įmonėje „Brightlight Photonics“, kuri sieks palengvinti lustinio masto titano brangakmenių lazerių komercializavimą.
Šiuo metu Jelena Vučković ir jos tyrimų grupė dirba su derinamu režimu užrakinto lusto masto titano lazeriu.
Impulsiniai lazeriai „atvers naujas galimybes lazerių taikymams kvantinėse technologijose, klasikiniame informacijos apdorojime ir biomedicinoje“, – sakė prof. Vučkovičius.
