Istraživači UC Santa Barbara razvili su kompaktan, jeftin laser koji rivali performanse laboratorijskih sistema. Koristi rubidijum atome i napredne tehnike integracije čipa kako bi se omogućile aplikacije poput kvantnog računarstva, svrhe i osjet na okoliš, uključujući satelitsku mapiranje gravitacije.
Laseri su neophodni za eksperimente koji zahtijevaju ultra precizno atomsko mjerenje i kontrolu, kao što su dva foton atomskog satova, senzora hladnog atoma i kvantne kapije. Ključ za efikasnost lasera je njihova spektralna čistoća koja je emisija svjetlosti samo jedne boje ili frekvencije. Danas, postizanje ultra niske buke, stabilno svjetlo potrebno za ove aplikacije oslanja se na glomazni i skupi benchtop laserski sistemi dizajnirani za generiranje i upravljanje fotonima u užem spektru.
Ali šta ako ove atomske aplikacije mogu izbjeći granice laboratorija i klupe? Ovo je Vision Vozni istraživanja u laboratoriji Daniela Blumenthala, profesora inženjeringa na UC Santa Barbari, gdje njegov tim radi na repliciranju performansi ovih visoko preciznih lasera u laganim, ručnim uređajima.
"Ovi mali laseri omogućit će skalabilna laserska rješenja za praktične kvantne sisteme, kao i lasere za prenosni, terensko raspoređeni i svemirski kvantni senzori", rekao je Andrei Isichenko, diplomirani istraživač u laboratoriji Blumenthala. "To će imati implikacije na tehnološka područja kao što su kvantno računanje koristeći neutralne atome i zarobljene ione, kao i hladne kvantne senzore poput atomskog satova i gravimetra."
U radu objavljenom u časopisu naučni izvještaji, Blumenthal, Isichenko i njihov tim opisuju razvoj ultra-niskog reprezentativnog lasera ultra-niskog reprezentacije u ovom smjeru. Istraživači kažu da je uređaj, koji se odnosi na veličinu širine šibice, može nadmašiti trenutnu usku liniju širine 780- NM lasere po djeliću troškova proizvodnje i prostora.
Rubidijum atomi izabrani su za laser jer imaju dobro poznate nekretnine koje ih čine idealnim za različite precizne aplikacije. Stabilnost njihovog optičke tranzicije D2 čini ih idealnim za atomske satove; Osjetljivost atoma čini ih popularnim izborom za senzore i hladno-atom fiziku. Prolazeći laserom kroz paru rubidijum atoma koji služe kao atomska referenca, u blizini lasera u blizini preuzela je nekretnina stabilnog atomskog tranzicije.
"Koristite atomsku tranzicijsku liniju za hvatanje lasera", kaže Blumenthal, stariji autor papira. "Drugim rečima, zaključavanjem lasera na atomsku tranzicijsku liniju, laser više ili više preuzima svojstva tog atomskog tranzicije u smislu stabilnosti."
Ali maštovito crveno svjetlo ne pravi precizni laser. Da biste dobili idealnu kvalitetu laserskog svjetla, "buka" mora biti uklonjena. Blumenthal ga opisuje kao podešavanje vilice nasuprot gitarskoj struni. "Ako pogodite c sa vilicom za podešavanje, možda bi bilo vrlo savršeno C", objašnjava on. "Ali ako pogodite C na gitari, možete čuti druge tonove u njemu." Slično tome, lasersko svjetlo može sadržavati različite frekvencije (boje), stvarajući dodatne "tonove". Da biste proizveli potrebnu frekvenciju (u ovom slučaju čisto duboko crveno svjetlo), sustav koristi dodatne komponente za daljnje izravnavanje laserskog svjetla. Izazov za istraživače bio je spakirati sve ove funkcionalnosti i performanse na jedan čip.
"Tim je koristio kombinaciju komercijalno dostupnih laserskih dioda, najnižeg valova za malore na svijetu (napravljen Blumenthal-ovom laboratorijom), te najkvalitetniji faktor rezonatori, svi su izmišljeni na silikonskoj nitridskoj platformi. Pri tome su bili Sposobni da repliciraju performanse glomaznih benchtop sistema --, prema njihovim testovima, njihov je uređaj nadmašio neke lasere benchtopa, kao i ranije prijavljene integrirane lasere, sa četiri reda veličine u ključnim mjernim mjernim mjernim mjerilima poput frekvencijskog buke i linijom.
"Značaj niskih liskih vrijednosti je što možemo postići kompaktne lasere bez žrtvovanja laserskih performansi", objasnio je Isichenko. "Na neki način se poboljšavaju performanse u odnosu na konvencionalne lasere zbog potpunog integracije čip-razmjera koje su postignute. Ove lineve pomažu nam da bolje komuniciraju sa atomskim sustavom, eliminirajući doprinos laserskih buka i tako u potpunosti rješavajući atomske signale u Odgovor na okoliš koji smatraju, itd. "
Niske širine, za ovaj projekt su evidentirani su integrirani reprezentativni i pod-kilohert z-hertz fundamentalni i sub-ratohertz, koji pokazuju stabilnost i sposobnost laserske tehnologije da prevladaju buku iz vanjskih i unutrašnjih izvora.
Ostale prednosti tehnologije uključuju troškove - koristi 50 dolara i izradu se koristeći ekonomičan i skalabilan proizvodni proces koji je izgrađen pomoću CMOS-kompatibilnog procesa važnog materijala, zaduživanje iz svijeta elektroničke proizvodnje čipa. Uspjeh ove tehnologije znači da bi se ovi visoki učinak visokog preciznosti, niskobuskih fotonskih integrisanih lasera mogu rasporediti u raznim postavkama i unutar i izvan laboratorija, uključujući kvantni eksperimente, atomski tajming i osjetiti najslabije signale, poput promjena u gravitacijskom ubrzanju oko zemlje.
"Mogli biste staviti ove instrumente na satelite i mapirajte gravitaciju u i oko Zemlje s nekim tačnošću", rekao je Blumenthal. "Mogli biste osjetiti gravitacijsko polje oko Zemlje kako bi izmjerio razinu razine mora, promjene morskog leda i zemljotresa." Dodao je: "Ova tehnologija je kompaktna, mala snaga i lagana, čineći ga idealnim za raspoređivanje u prostoru."
