Zespół badaczy kierowany przez Jelenę Vučković, profesor elektrotechniki na Uniwersytecie Stanforda, jest pionierem w integracji lasera z tytanu (Ti:szafiru) z chipem (który można pompować zielonym wskaźnikiem laserowym). W porównaniu z jakimkolwiek innym obecnie dostępnym laserem z tytanu do kamieni szlachetnych, prototyp ten jest o cztery rzędy wielkości mniejszy (tj. jedna dziesięciotysięczna oryginału) i o trzy rzędy wielkości tańszy (tj. jedna tysięczna oryginału).
Tytanowe lasery z kamieniami szlachetnymi, ze względu na wysoką szerokość pasma wzmocnienia i ultraszybki impuls wyjściowy, są niezbędne w takich dziedzinach, jak najnowocześniejsza optyka kwantowa, spektroskopia i neuronauka. Jednak ich duże rozmiary i wysoka cena (setki tysięcy dolarów za sztukę), a także potrzeba stosowania urządzeń o dużej mocy (każde sprzedawane za około 30 dolarów000) do ich pompowania ograniczają ich powszechne zastosowanie.
„W Laboratorium Nano i Fotoniki Kwantowej Stanforda przeprowadziliśmy kilka eksperymentów kwantowych w oparciu o kwantowe bity spinowe w stanie stałym w materiałach takich jak diament i węglik krzemu. Eksperyment ten w dużej mierze opiera się na komercyjnych laserach z tytanu i kamieni szlachetnych”. Wyjaśnia Joshua Yang, doktorant w zespole Vučkovicia.
Lasery tytanowe z kamieniami szlachetnymi są nie tylko drogie, ale także skomplikowane i często wymagają regularnej konserwacji, aby zapewnić ich prawidłowe działanie.Prof. Zespół badawczy Vučkovicia prowadzi dużą liczbę eksperymentów, na które tytanowe lasery z kamieniami szlachetnymi nie mają wystarczającej ilości czasu, dlatego muszą dzielić się sprzętem i zarządzać harmonogramem eksperymentów. Ponadto, ponieważ moc wymagana do eksperymentów jest znacznie niższa niż moc wyjściowa komercyjnych laserów tytanowych z kamieniami szlachetnymi, moc lasera może być osłabiona jedynie o kilka rzędów wielkości, co powoduje marnowanie dużej części mocy lasera.
Yang powiedział: „Lasery tytanowo-szafirowe o wielkości chipa, ze względu na ich niski koszt, zwartość i stabilność, mogą zastąpić komercyjne systemy laserów tytanowo-szafirowych obecnie stosowane w naszych precyzyjnych eksperymentach”.
Ryc. 1: Laser tytanowy z kamieniami szlachetnymi w skali chipa opracowany przez zespół badawczy prof. Jeleny Vučković. Laser spoczywa ukośnie na tytanowym kamieniu szlachetnym, oba spoczywają na ćwiartce.
Sprytna konstrukcja lasera
Opracowany przez zespół laser chipowy składa się z dwóch głównych części: falowodu i rezonatora pierścieniowego.
Warstwę tytanowych kamieni szlachetnych umieszcza się na podłożu z dwutlenku krzemu (SiO2), które następnie umieszcza się na krysztale szafiru. Warstwa tytanu jest szlifowana, trawiona i polerowana do grubości zaledwie kilkuset nanometrów. Następnie ozdobiono go falowodem, który działa jak wir drobnych grzbietów, które kierują światłem przechodzącym przez niego.
Do podgrzewania falowodu stosuje się miniaturową grzałkę, która zmienia współczynnik załamania światła w falowodzie i prędkość, z jaką światło przemieszcza się przez falowód, dzięki czemu wyjściową długość fali można regulować w szerokim zakresie długości fal, od czerwieni do podczerwieni (obecnie regulowane do 60 nm).
„Spiralny falowód jest odpowiednikiem wzmacniacza lasera, a moc wzrasta w miarę przechodzenia lasera”. Yang wyjaśnia: „Rezonator pierścieniowy działa zarówno jako filtr modulujący długość fali lasera za pomocą mikrogrzejników, jak i jako wnęka rezonansowa dla lasera – działając jako ścieżka recyrkulacji dla transmisji lasera”.
Rysunek 2: Obraz optyczny wzmacniacza falowodowego z tytanu i kamieni szlachetnych o wymiarach 0,5 mm x 0,5 mm.
Wyzwania dla laserów tytanowych z kamieniami szlachetnymi w skali chipa
Największą trudnością związaną z laserami tytanowymi z kamieniami szlachetnymi jest to, że do działania wymagają one pompowania o dużej intensywności. Realizując technologię lasera tytanowego z kamieniami szlachetnymi za pomocą falowodu o wysokiej precyzji, zespół badawczy dokonał dwóch ważnych przełomów:
Po pierwsze, ponieważ intensywność pompowania to moc podzielona przez powierzchnię, zastosowanie falowodów optycznych z tytanu i kamieni szlachetnych znacznie zmniejsza obszar pompowania. „Oznacza to, że do osiągnięcia intensywności pompowania podobnej do tej w komercyjnych systemach kamieni szlachetnych z tytanu potrzeba tylko mniejszej mocy (około 1000 razy mniej). Yang wyjaśnia: „Więc nawet tani laser półprzewodnikowy na zielone światło jest wystarczająco mocny, aby pompować ten laser wielkości chipa”.
Po drugie, w chipie zintegrowany jest laser z tytanowymi kamieniami szlachetnymi. „Laser szafirowy o wielkości chipa (bez większej liczby ruchomych części) charakteryzuje się miniaturyzacją, skalowalnością i trwałością nieporównywalną z laserami komercyjnymi do produkcji półprzewodników na dużą skalę na poziomie płytki”. dodał Yang.
Dla Yang najważniejszym wydarzeniem tej pracy jest wykorzystanie tego lasera z tytanu w skali chipa do eksperymentów kwantowych. Powiedział: „Wielkim zaskoczeniem było to, że to maleńkie urządzenie zastąpiło nieporęczny komercyjny system laserowy w złożonym eksperymencie z elektrodynamiką kwantową wnękową (QED). Ponieważ opracowane przez nas lasery w skali chipowej są naprawdę wyjątkowe”.
Jednym z wyzwań, jakie zespół badawczy Vučkovicia musiał pokonać, aby laser z tytanu w skali chipa rzeczywiście nadawał się do eksperymentów kwantowych, była optymalizacja sprzężenia źródła pompy. „W eksperymentach laser jest pompowany przez ścieżkę światła w wolnej przestrzeni” – mówi Yang – „ale dzięki technologii pakowania fotonicznego możliwa jest integracja lasera półprzewodnikowego o zielonym świetle, który służy jako źródło pompy dla tytanowego kamienia szlachetnego w skali chipa Optymalizując połączenie systemu pakowania i źródła pompy, można uzyskać wyższą moc wyjściową lasera, a laser jest zarówno przenośny, jak i trwały.
Potencjalne zastosowania
Lasery tytanowe z kamieniami szlachetnymi w skali chipowej mają szeroki zakres zastosowań, od technologii kwantowych, takich jak obliczenia kwantowe i zegary atomowe, po zastosowania medyczne, takie jak optyczna tomografia koherentna i mikroskopia dwufotonowa.
„Mam nadzieję, że technologia ta dojrzeje i będzie stosowana w tych dziedzinach w ciągu najbliższych kilku lat” – powiedział Yang. Po ukończeniu studiów tego lata będzie pracował dla Brightlight Photonics – firmy, która będzie pracować nad ułatwieniem komercjalizacji laserów tytanowych z kamieniami szlachetnymi w skali chipa.
Obecnie Jelena Vučković i jej zespół badawczy pracują nad przestrajalnym laserem tytanowym z synchronizacją trybu i skalą chipową.
Lasery impulsowe „otwierą nowe możliwości zastosowań laserów w technologii kwantowej, klasycznym przetwarzaniu informacji i biomedycynie” – powiedział prof. Vučković.
