UC Santa Barbara-forskere har utviklet en kompakt, lavprislaser som konkurrerer med ytelsen til labskala-systemer. Den bruker Rubidium-atomer og avanserte brikkeintegrasjonsteknikker for å muliggjøre applikasjoner som kvantedatamaskin, tidtaking og miljømessig sensing, inkludert satellittbasert tyngdekraft.
Lasere er uunnværlige for eksperimenter som krever ultra-presis atommåling og kontroll, for eksempel to-foton atomklokker, kaldatominterferometer sensorer og kvanteporter. Nøkkelen til effektiviteten til lasere er deres spektrale renhet, som er utslipp av lys av bare en farge, eller frekvens. I dag er det å oppnå det ultra-lave støy, stabilt lyset som kreves for disse applikasjonene, avhengig av klumpete og dyre benchtop-lasersystemer designet for å generere og administrere fotoner i et smalt spektralt område.
Men hva om disse atomapplikasjonene kunne unnslippe laboratoriets rammer og benchtop? Dette er visjonsdrivende forskning i laboratoriet til Daniel Blumenthal, professor i ingeniørfag ved UC Santa Barbara, der teamet hans jobber for å gjenskape ytelsen til disse høye presisjonslaserne i lette, håndholdte enheter.
"Disse små laserne vil muliggjøre skalerbare laserløsninger for praktiske kvantesystemer, så vel som lasere for bærbare, feltutviklede og rombaserte kvantesensorer," sa Andrei Isichenko, forsker i Blumenthals lab. "Dette vil ha implikasjoner for teknologiområder som kvanteberegning ved bruk av nøytrale atomer og fangede ioner, samt kaldatom kvantesensorer som atomklokker og gravimeter."
I en artikkel publisert i tidsskriftet Scientific Reports, BLUumenthal, beskriver Isichenko og teamet deres utviklingen av en chip-skala ultra-low linewidth selvinjeksjonslåst 780- nanometer laser i denne retningen. Forskerne sier at enheten, som er omtrent på størrelse med en matchbox, kan overgå gjeldende smal linjebredde 780- nm lasere til en brøkdel av produksjonskostnadene og plassen.
Rubidium-atomer ble valgt for laseren fordi de har kjente egenskaper som gjør dem ideelle for en rekke høye presisjonsapplikasjoner. Stabiliteten til deres D2 -optiske overgang gjør dem ideelle for atomklokker; Atomenes følsomhet gjør dem også til et populært valg for sensorer og kaldatomfysikk. Ved å føre laseren gjennom en damp av rubidiumatomer som fungerer som en atomreferanse, tar den nærinfrarøde laseren på seg egenskapene til en stabil atomovergang.
"Du bruker atomovergangslinjen for å felle laseren," sier Blumenthal, papirets seniorforfatter. "Med andre ord, ved å låse laseren til atomovergangslinjen, tar laseren mer eller mindre på seg egenskapene til den atomovergangen når det gjelder stabilitet."
Men fancy rødt lys sørger ikke for en presisjonslaser. For å få den ideelle kvaliteten på laserlys, må "støyen" fjernes. Blumenthal beskriver det som en tuninggaffel kontra en gitarstreng. "Hvis du treffer en C med en tuninggaffel, kan det være en veldig perfekt C," forklarer han. "Men hvis du treffer en C på en gitar, kan du høre andre toner i den." Tilsvarende kan laserlys inneholde forskjellige frekvenser (farger), og skape flere "toner." For å produsere enkeltfrekvensen som kreves (i dette tilfellet, rent dypt rødt lys), bruker systemet ytterligere komponenter for å jevne ut laserlyset ytterligere. Utfordringen for forskerne var å pakke all denne funksjonaliteten og ytelsen på en enkelt brikke.
"Teamet brukte en kombinasjon av kommersielt tilgjengelige Fabry-Perot laserdioder, verdens laveste tapsbølgeledere (laget av Blumenthals lab), og den høyeste kvalitetsfaktor resonatorer, alle produsert på en silisiumnitridplattform. Ved å gjøre det var de I stand til å gjenskape ytelsen til klumpete benchtop -systemer -- I henhold til testene deres, overgikk enheten deres noen benchtop -lasere, samt tidligere rapporterte integrerte lasere, med fire størrelsesordener i nøkkelmålinger som frekvensstøy og linjebredde.
"Betydningen av lave linjebreddeverdier er at vi kan oppnå kompakte lasere uten å ofre laserytelse," forklarte Isichenko. "På noen måter forbedres ytelsen sammenlignet med konvensjonelle lasere på grunn av den fulle brikkskala-integrasjonen som er oppnådd. Disse linjebredden hjelper oss med å samhandle med atomsystemet, og eliminerer bidraget fra laserstøy og dermed fullstendig løse atomsignalene i respons på miljøet de føler, etc. "
De lave linjebredden, for dette prosjektet, er rekordlave sub-hertz grunnleggende og subkilohertz integrerte linjebredder, noe som demonstrerer laserteknologiens stabilitet og evne til å overvinne støy fra både eksterne og interne kilder.
Andre fordeler med teknologien inkluderer kostnads-it bruker $ 50 dioder og er fremstilt ved hjelp av en kostnadseffektiv og skalerbar produksjonsprosess som er bygget ved hjelp av CMOS-kompatible wafer-skala-prosesser, lån fra en verden av elektronisk brikkeproduksjon. Suksessen med denne teknologien betyr at disse høyytelses-fotoniske integrerte lasere kan distribueres i en rekke innstillinger både inne i og utenfor laboratoriet, inkludert kvanteeksperimenter, atomidetid og sensing av de svakeste signalene, inkludert kvanteeksperimenter, atomidetid og sensing av de svakeste signalene, for eksempel endringer i gravitasjonsakselerasjon rundt jorden.
"Du kan legge disse instrumentene på satellitter og kartlegge tyngdekraften i og rundt jorden med en viss nøyaktighet," sa Blumenthal. "Du kan føle gravitasjonsfeltet rundt jorden for å måle havnivåstigning, endringer i havis og jordskjelv." Han la til: "Denne teknologien er kompakt, lav effekt og lett, noe som gjør den ideell for distribusjon i verdensrommet."
