Niedawno naukowcy ze Stanford University dokonali przełomu w dziedzinie produkcji laserowej.
Udało im się opracować i wyprodukować laser tytanowo-szafirowy na układzie scalonym. Jest to innowacja, która nie tylko zmniejszyła rozmiar lasera o cztery rzędy wielkości (czyli do jednej dziesięciotysięcznej pierwotnego rozmiaru), ale także obniżyła koszt o trzy rzędy wielkości (czyli do zaledwie jednej tysięcznej pierwotnej ceny).
„To przełomowe odkrycie w tradycyjnym paradygmacie” – zachwyca się prof. Jelena Vuckovic, profesor Global Leadership i wiodący autorytet w dziedzinie elektrotechniki. Jako starsza autorka artykułu szczegółowo opisującego ten laser szafirowy o skali chipa w czasopiśmie Nature, jest podekscytowana przyszłością: „Wkrótce każde laboratorium będzie mogło mieć setki tych wysokowydajnych laserów na jednym chipie, zamiast polegać na dużym i drogim konwencjonalnym sprzęcie. Będzie on również niezwykle łatwy w obsłudze, a nawet będzie można nim sterować za pomocą zielonego wskaźnika laserowego”.
Joshua Yang, doktorant w laboratorium, dalej rozwija dalekosiężne implikacje tej technologii: „Te potężne lasery będą mogły być używane w szerokiej gamie ważnych zastosowań za ułamek kosztów, gdy przejdziemy od urządzeń klasy stacjonarnej do wytwarzania gotowych do produkcji produktów na chipie”. Pracował nad tymi przełomowymi badaniami z kolegami z Nanoscale and Quantum Photonics Laboratory prof. Vuckovic, w tym inżynierem badawczym Kasperem Van Gasse i stypendystą podoktorskim Daniilem M. Lukinem.
Technicznie rzecz biorąc, lasery tytanowo-szafirowe są preferowane, ponieważ mają największą „szerokość pasma wzmocnienia” spośród wszystkich kryształów laserowych. Oznacza to, że lasery tytanowo-szafirowe są w stanie wytwarzać szerszy zakres długości fal niż inne lasery. Ponadto ich impulsy świetlne są emitowane niezwykle szybko, raz na bilionową część sekundy. Te doskonałe parametry wydajności niewątpliwie przyczynią się w znacznym stopniu do powszechnego stosowania i dogłębnego rozwoju technologii laserowej w różnych dziedzinach.
Aby zbudować ten nowy typ lasera, najpierw precyzyjnie pokryli warstwę prawdziwych kryształów szafiru warstwą szafiru tytanowego na platformie z dwutlenku krzemu. Następnie szafir tytanowy został drobno zmielony, wytrawiony i wypolerowany, a następnie zredukowany do ultracienkiej warstwy o grubości zaledwie kilkuset nanometrów. Zaraz potem zespół skrupulatnie ułożył falowód w tej ultracienkiej warstwie materiału.
Ta zminiaturyzowana konstrukcja oferuje znaczące korzyści. Z matematycznego punktu widzenia intensywność jest stosunkiem mocy do powierzchni. Tak więc, przy zachowaniu tej samej mocy, co laser wielkoskalowy, intensywność lasera zostanie znacznie zwiększona ze względu na zmniejszoną powierzchnię. Naukowcy zauważyli, że „niewielki rozmiar lasera faktycznie pomaga nam zwiększyć wydajność”.
Dodatkowo, aby jeszcze bardziej zwiększyć wydajność lasera, zespół badawczy włączył miniaturowy podgrzewacz. Ten podgrzewacz podgrzewa światło przechodzące przez falowód, dając zespołowi Jeleny Vuckovic elastyczność w dostosowywaniu długości fali emitowanego światła w zakresie 700-1000 nanometrów.
Ten tytanowo-szafirowy laser na mikrochipie wykazuje obiecujące zastosowania w kilku dziedzinach. W fizyce kwantowej oferuje niedrogie i praktyczne rozwiązanie dla zmniejszenia rozmiarów najnowocześniejszych komputerów kwantowych. A w dziedzinie neuronauki naukowcy ze Stanford przewidują jego bezpośrednie zastosowanie w optogenetyce, dziedzinie, która pozwala naukowcom kontrolować i wpływać na aktywność neuronalną wewnątrz mózgu za pomocą światła, pomimo względnej wielkości urządzeń światłowodowych obecnie powszechnie używanych.
Patrząc w przyszłość, zespół będzie kontynuował udoskonalanie projektu tytanowych laserów szafirowych w skali chipa i badał możliwość ich masowej produkcji na płytkach, tysiącach laserów na raz. Tego lata Joshua Yang uzyska doktorat na podstawie tych badań i będzie pracował nad wprowadzeniem tej technologii na rynek. Możemy umieścić tysiące laserów na 4--calowym waflu, a koszt na laser będzie bliski zeru”, mówi pewnie. To niewątpliwie zapoczątkuje rewolucję technologiczną.
Przetłumaczono za pomocą www.DeepL.com/Translator (wersja bezpłatna)
