Дослідники UC Santa Barbara розробили компактний, недорогий лазер, який конкурує з продуктивністю лабораторних систем. Він використовує атоми Rubidium та вдосконалені методи інтеграції мікросхем, щоб забезпечити такі додатки, як квантові обчислення, хронометраж та зондування навколишнього середовища, включаючи гравітаційне картографування на супутниковій основі.
Лазери незамінні для експериментів, які потребують ультраточного атомного вимірювання та контролю, таких як двофотонні атомні годинники, датчики інтерферометра холодного атома та квантові ворота. Ключовим фактором ефективності лазерів є їх спектральна чистота, яка є викидом світла лише одного кольору або частоти. Сьогодні досягнення ультра-низького рівня, стабільне світло, необхідне для цих додатків, покладається на об'ємні та дорогі лазерні системні систем, розроблені для генерування та управління фотонами у вузькому спектральному діапазоні.
Але що робити, якщо ці атомні програми можуть уникнути межі лабораторії та стендової столи? Це дослідження, що керує баченням, в лабораторії Даніеля Блюменталя, професора інженерії в UC Santa Barbara, де його команда працює над тим, щоб повторити виконання цих високоточних лазерів у легких, портативних пристроях.
"Ці маленькі лазери дозволять масштабовані лазерні рішення для практичних квантових систем, а також лазери для портативних, розгорнутих польових та космічних квантових датчиків",-сказав Андрій Ісченко, аспірант-дослідник у лабораторії Blumenthal. "Це матиме наслідки для таких технологічних областей, як квантові обчислення з використанням нейтральних атомів та захоплених іонів, а також квантових датчиків холодного атомного атомного атомів, таких як атомні годинники та гравіметри".
У документі, опублікованій у журналі Scientific Reports, Blumenthal, Isichenko та їх команда описують розробку ультра-низької ширини лінійки, що замикається 780- нанометрові лазер в цьому напрямку. Дослідники стверджують, що пристрій, який становить розмір сірникової коробки, може перевершити поточну вузько-лінійну швидкість 780- нм лазерів при частці виробничих витрат і простору.
Атоми рубідію були обрані для лазера, оскільки вони мають відомі властивості, які роблять їх ідеальними для різних високоточних застосувань. Стабільність їх оптичного переходу D2 робить їх ідеальними для атомних годин; Чутливість атомів також робить їх популярним вибором для датчиків та фізики холодного атомів. Проходячи лазер через пару атомів рубідію, які служать атомною орієнтиром, майже інфрачервоний лазер бере на себе властивості стабільного атомного переходу.
"Ви використовуєте атомну перехідну лінію для захоплення лазером", - каже Блюменталь, старший автор паперу. "Іншими словами, замикаючи лазер на атомну перехідну лінію, лазер більш -менше бере на себе властивості цього атомного переходу з точки зору стабільності".
Але фантазійне червоне світло не робить для точності лазера. Щоб отримати ідеальну якість лазерного світла, потрібно видалити "шум". Blumenthal описує це як настройку проти гітарної струни. "Якщо ви вдарите C C Tuning Fork, це може бути дуже ідеальним С", - пояснює він. "Але якщо ви потрапите на C на гітарі, ви можете почути в ній інші тони". Аналогічно, лазерне світло може містити різні частоти (кольори), створюючи додаткові "тони". Для отримання необхідної єдиної частоти (в даному випадку чистого глибокого червоного світла) система використовує додаткові компоненти для подальшого згладжування лазерного світла. Завдання для дослідників полягала в тому, щоб упакувати всю цю функціональність та продуктивність на єдиний чіп.
"Команда використала комбінацію комерційно доступних лазерних діодів Фабрі-Перо, хвилеводів з найнижчою втратою (виготовлених за допомогою лабораторії Blumenthal), і резонатори найвищої якості коефіцієнта, всі виготовлені на платформі нітриду кремнію. Роблячи це, вони були Здатний копіювати продуктивність об'ємних систем Benchtop -- Відповідно до їх тестів, їхній пристрій перевершив деякі лазери для стендів, а також раніше повідомлені інтегровані лазери, на чотири порядки в ключових показниках, як шум частоти та ширина лінії.
"Значення низьких значень ширини лінії полягає в тому, що ми можемо досягти компактних лазерів без жертвування лазерних показників", - пояснив Ісіченко. "У чомусь продуктивність покращується порівняно зі звичайними лазерами через повну інтеграцію в масштабі чіпів Відповідь на навколишнє середовище, яке вони відчувають тощо "
Низькі ширини ліній для цього проекту є основними та суб-кілохерцами, що мають низьку суб-херца, та субкілохерц-інтегровані лінійки, що демонструє стабільність та здатність лазерної технології та здатність подолати шум як із зовнішніх, так і з внутрішніх джерел.
Інші переваги технології включають в себе кошти, які використовують діоди 50 доларів і виготовляються за допомогою економічно вигідного та масштабованого виробничого процесу, який побудований за допомогою CMOS-сумісних процесів вафельних виробів, запозичення у світі виробництва електронних мікросхем. Успіх цієї технології означає, що ці високоефективні, високоточні, недорогі фотонні інтегровані лазери можуть бути розгорнуті в різних налаштуваннях як всередині, так і поза лабораторією, включаючи квантові експерименти, атомні терміни та відчуття найслабших сигналів, наприклад, зміни гравітаційного прискорення навколо Землі.
"Ви можете поставити ці інструменти на супутники та карту тяжіння в землі та навколо нього з певною точністю", - сказав Блюменталь. "Ви можете відчути гравітаційне поле навколо землі для вимірювання підвищення рівня моря, зміни морського льоду та землетрусів". Він додав: "Ця технологія є компактною, низькою потужністю та легкою, що робить її ідеальною для розгортання в космосі".
