Исследователи Калифорнийского университета в Санта-Барбаре разработали компактный, недорогой лазер, который конкурирует с производительностью лабораторных систем. Он использует атомы Rubidium и передовые методы интеграции чипов, чтобы обеспечить такие приложения, как квантовые вычисления, хронометрирование и экологическое зондирование, включая спутниковое картирование тяжести.
Лазеры необходимы для экспериментов, которые требуют ультра-преучения атомного измерения и контроля, таких как двухфотонные атомные часы, датчики интерферометра холода-атом и квантовые ворота. Ключом к эффективности лазеров является их спектральная чистота, которая представляет собой излучение света только одного цвета или частоты. Сегодня достижение ультра-низко-шумного, стабильного света, необходимого для этих приложений, зависит от громоздких и дорогих лазерных систем, предназначенных для создания и управления фотонами в узком спектральном диапазоне.
Но что, если эти атомные приложения могут избежать ограничений лаборатории и на стенде? Это исследование Vision Driving в лаборатории Даниэля Блюментала, профессора инженерии в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, где его команда работает над воспроизведением этих высокопроизводительных лазеров в легких портативных устройствах.
«Эти небольшие лазеры обеспечат масштабируемые лазерные решения для практических квантовых систем, а также лазеры для портативных, развертываемых на местах и космических квантовых датчиках»,-сказал Андрей Исиченко, аспирант в лаборатории Блюменталь. «Это будет иметь значение для технологических областей, таких как квантовые вычисления, использующие нейтральные атомы и захваченные ионы, а также квантовые датчики холода, такие как атомные часы и гравиметра».
В статье, опубликованном в журнале Scientific Reports, Blumenthal, Isichenko и их команда описывают разработку сверхнизкой ширины Sltra-Low-Whidth-ширины {4}} нанометрового лазера в этом направлении. Исследователи говорят, что устройство, которое составляет размером с спичечного ящика, может превзойти текущую узко-линейную ширину 780- нм лазеры на долю от стоимости и пространства производства.
Атомы Рубидия были выбраны для лазера, потому что они обладают хорошо известными свойствами, которые делают их идеальными для различных высоких приложений. Стабильность их оптического перехода D2 делает их идеальными для атомных часов; Чувствительность атомов также делает их популярным выбором для датчиков и физики холода. Проходя лазер через пары атомов рубидиума, которые служат атомной ссылкой, лазер вблизи инфракрасных из них приобретает свойства стабильного атомного перехода.
«Вы используете линию атомного перехода для ловушки лазера», - говорит Блюменталь, старший автор газеты. «Другими словами, блокируя лазер на линии атомного перехода, лазер более или менее использует свойства этого атомного перехода с точки зрения стабильности».
Но причудливый красный свет не создает точного лазера. Чтобы получить идеальное качество лазерного света, «шум» должен быть удален. Блюменталь описывает его как настройку вилки по сравнению с гитарной строкой. «Если вы попадете в C с помощью настройки вилки, это может быть очень идеальным C», - объясняет он. «Но если вы нажимаете C на гитаре, вы можете услышать в нем другие тона». Точно так же лазерный свет может содержать различные частоты (цвета), создавая дополнительные «тона». Чтобы создать требуемую одну частоту (в данном случае, чистый глубокий красный свет), система использует дополнительные компоненты для дальнейшего сглаживания лазерного света. Задача для исследователей заключалась в том, чтобы упаковать все эти функции и производительность в один чип.
"Команда использовала комбинацию коммерчески доступных лазерных диодов Fabry-Perot, самых низких волн в мире (изготовленных лаборатории Blumenthal's Lab), и резонаторы с фактором самого высокого качества, которые изготовлены на платформе нитрида кремния. При этом они были. Способный воспроизвести производительность громоздких систем на стенде -- Согласно их тестам, их устройство превзошло некоторые лазеры на стенде, а также ранее сообщали об интегрированных лазерах, на четыре порядка в ключевых показателях, таких как частотный шум и гибель линии.
«Значение низких значений ширины линии заключается в том, что мы можем достичь компактных лазеров, не жертвуя лазерной производительностью», - пояснил Исиченко. «В некотором смысле производительность улучшается по сравнению с обычными лазерами из-за полной интеграции в масштабе чипов, которая была достигнута. Эти ширины линии помогают нам лучше взаимодействовать с атомной системой, исключая вклад лазерного шума и, таким образом, полностью разрешает атомные сигналы в Ответ на окружающую среду, которую они чувствуют и т. Д. »
Низкая ширина линии для этого проекта представляют собой рекордсмену низких суберцевых фундаментальных и интегрированных ширины линейки линейки, демонстрируя стабильность и способность лазерной технологии преодолеть шум как из внешних, так и из внутренних источников.
Другие преимущества этой технологии включают в себя затраты, использующие диоды в размере 50 долларов США и изготовлены с использованием экономически эффективного и масштабируемого производственного процесса, который построен с использованием CMOS-совместимых процессов масштаба пластин, заимствования из мира производства электронных чипов. Успех этой технологии означает, что эти высокопроизводительные, высококачественные, недорогие фотонные интегрированные лазеры могут быть развернуты в различных условиях как внутри, так и за пределами лаборатории, включая квантовые эксперименты, атомное время и восприятие самых слабых сигналов, такие как изменения гравитационного ускорения вокруг Земли.
«Вы могли бы поставить эти инструменты на спутники и с некоторой точностью отобразить гравитацию на земле и вокруг него», - сказал Блюменталь. «Вы могли почувствовать гравитационное поле вокруг земли, чтобы измерить повышение уровня моря, изменения в морском льду и землетрясения». Он добавил: «Эта технология компактная, низкая мощность и легкая, что делает ее идеальной для развертывания в космосе».
