Изследователите на UC Santa Barbara са разработили компактен, евтин лазер, който съперничи на ефективността на лабораторните системи. Той използва Rubidium Atoms и модерни техники за интегриране на чипове, за да даде възможност за приложения като квантови изчисления, време за поддържане и екологично усещане, включително гравитационно картографиране на базата на сателит.
Лазерите са незаменими за експерименти, които изискват ултра прецизно атомно измерване и контрол, като двуфотонови атомни часовници, сензори за интерферометър със студ-атом и квантови порти. Ключов за ефективността на лазерите е тяхната спектрална чистота, която е излъчването на светлина само от един цвят или честота. Днес постигането на ултра ниско-шумната, стабилна светлина, необходима за тези приложения, разчита на обемни и скъпи лазерни системи на Benchtop, предназначени да генерират и управляват фотоните в тесен спектрален диапазон.
Но какво ще стане, ако тези атомни приложения биха могли да избягат от границите на лабораторията и пейкита? Това е изследването на визията за шофиране в лабораторията на Даниел Блументал, професор по инженерство в UC Santa Barbara, където неговият екип работи за възпроизвеждане на изпълнението на тези високоточни лазери в леки, ръчни устройства.
„Тези малки лазери ще позволят мащабируеми лазерни решения за практически квантови системи, както и лазери за преносими, полеви и космически базирани квантови сензори“, казва Андрей Исихенко, завършил изследовател в лабораторията на Блументал. "Това ще има последици за технологичните области като квантовите изчисления, използвайки неутрални атоми и хванати йони, както и квантово сензори от студено атом, като атомни часовници и гравиметри."
В документ, публикуван в списанието Scientific Reports, Blumenthal, Isichenko и техният екип описват разработването на самостоятелно инжектиране на мащаб на чип-ниска линия 780- нанометров лазер в тази посока. Изследователите казват, че устройството, което е с размерите на Matchbox, може да надмине текущата тесен линия 780- nm лазери с част от производствените разходи и пространство.
Рубидийните атоми са избрани за лазера, тъй като имат добре известни свойства, които ги правят идеални за различни приложения с висока точност. Стабилността на техния D2 оптичен преход ги прави идеални за атомни часовници; Чувствителността на атомите също ги прави популярен избор за сензори и физика на студен атом. Чрез преминаване на лазера през пара от рубидни атоми, които служат като атомна референция, почти инфрачервеният лазер придобива свойствата на стабилен атомен преход.
„Използвате атомната преходна линия, за да хванете лазера“, казва Блументал, старши автор на вестника. „С други думи, като заключи лазера към атомната преходна линия, лазерът повече или по -малко придобива свойствата на този атомен преход по отношение на стабилността.“
Но фантастичната червена светлина не прави прецизен лазер. За да получите идеалното качество на лазерната светлина, "шумът" трябва да бъде отстранен. Blumenthal го описва като вилица за настройка срещу китара. "Ако ударите C с вилица за настройка, това може да е много перфектен C", обяснява той. "Но ако ударите C на китара, можете да чуете други тонове в нея." По същия начин, лазерната светлина може да съдържа различни честоти (цветове), създавайки допълнителни „тонове“. За да произведе необходимата единична честота (в този случай, чиста наситено червена светлина), системата използва допълнителни компоненти за по -нататъшно изглаждане на лазерната светлина. Предизвикателството за изследователите беше да опаковат цялата тази функционалност и производителност върху един чип.
„Екипът използва комбинация от налични в търговската мрежа лазерни диоди на Fabry-Perot, вълновода с най-ниски загуби в света (направени от лабораторията на Blumenthal) и най-висококачествените резонатори на факторите, всички са изработени на силиконова нитридна платформа. По този Възможно е да се повтори работата на обемисти системи за покритие -- Според техните тестове, устройството им превъзхожда някои лазери на Benchtop, както и преди това съобщавани за интегрирани лазери, с четири порядъка в ключови показатели като честотен шум и ширина на линията.
"Значението на стойностите на ниската ширина на линията е, че можем да постигнем компактни лазери, без да жертваме лазерно представяне", обясни Исиченко. "По някакъв начин производителността се подобрява в сравнение с конвенционалните лазери поради пълната интеграция в мащаб на чипс. отговор на околната среда, която усещат и т.н. "
Ниските ширини на линията, за този проект, са рекордни ниски под-херцови основни и под-килохърт интегрирани ширини на линията, демонстриращи стабилността и способността на лазерната технология да преодолява шума както от външни, така и от вътрешни източници.
Други предимства на технологията включват разходи-тя използва 50 долара диоди и се изработва с помощта на рентабилен и мащабируем производствен процес, който е изграден с помощта на съвместими с CMOS процеси на вафли, заемащи от света на производството на електронни чипове. Успехът на тази технология означава, че тези високоефективни, високо прецизни, евтини фотонни интегрирани лазери могат да бъдат внедрени в различни настройки както вътре, така и извън лабораторията, включително квантови експерименти, атомно време и усещане на най-слабите сигнали, като промени в гравитационното ускорение около земята.
"Можете да поставите тези инструменти върху спътници и да картографирате гравитацията в и около земята с известна точност", каза Блументал. "Можете да усетите гравитационното поле около земята, за да измервате повишаването на морското равнище, промените в морския лед и земетресенията." Той добави: "Тази технология е компактна, с ниска сила и лека, което я прави идеален за разполагане в космоса."
