Tim ta’ riċerkaturi mmexxi minn Jelena Vučković, professur tal-inġinerija elettrika fl-Università ta’ Stanford, kien pijunier fl-integrazzjoni ta’ laser gemstone tat-titanju (Ti:sapphire) fuq ċippa (li tista’ tiġi ppumpjata b’pointer tal-laser aħdar). Meta mqabbel ma 'kwalunkwe lejżer gemstone tat-titanju ieħor disponibbli bħalissa, dan il-prototip huwa erba' ordnijiet ta 'kobor iżgħar (jiġifieri għaxar elf tal-oriġinal) u tliet ordnijiet ta' kobor aktar baxxi fl-ispiża (jiġifieri, elf tal-oriġinal).
Lejżers tal-gemstone tat-titanju, minħabba l-bandwidth ta 'qligħ għoli u l-output tal-polz ultraveloċi, huma indispensabbli f'oqsma bħall-ottika kwantistika avvanzata, l-ispettroskopija u n-newroxjenza. Madankollu, id-daqs kbir u l-prezz għoli tagħhom (mijiet ta' eluf ta' dollari kull wieħed), kif ukoll il-ħtieġa għal apparati b'qawwa għolja (kull wieħed jinbiegħ għal madwar $30,000) biex jippompjawhom, illimitaw l-użu mifrux tagħhom.
"Fil-Laboratorju ta 'Stanford għan-Nano u Quantum Photonics, għamilna diversi esperimenti quantum ibbażati fuq bits quantum spin ta' stat solidu f'materjali bħad-djamant u karbur tas-silikon. Dan l-esperiment jiddependi ħafna fuq lejżers kummerċjali tat-titanju gemstone." Joshua Yang, student tal-PhD fit-tim ta’ Vučković, jispjega.
Minbarra li huma għaljin, il-lejżers tal-gemstone tat-titanju huma kumplessi u ħafna drabi jeħtieġu manutenzjoni regolari biex iżommuhom jaħdmu tajjeb.Prof. It-tim ta 'riċerka ta' Vučković iwettaq numru kbir ta 'esperimenti li għalihom il-lejżers tal-gemstone tat-titanju m'għandhomx biżżejjed ħin tal-magni, u għalhekk irid jaqsam it-tagħmir u jamministra l-iskeda sperimentali. Barra minn hekk, minħabba li l-qawwa meħtieġa għall-esperimenti hija ħafna inqas mill-qawwa tal-ħruġ tal-lejżers tal-gemstone tat-titanju kummerċjali, l-output tal-lejżer jista 'jiġi attenwat biss bi ftit ordnijiet ta' kobor, li jirriżulta f'porzjon kbir tal-qawwa tal-lejżer li tinħela.
Yang qal, "Lejżers taż-żaffir tat-titanju fuq skala taċ-ċippa, minħabba l-kost baxx, il-kumpattezza u l-istabbiltà tagħhom, jistgħu jissostitwixxu s-sistemi kummerċjali tal-laser tat-titanju gemstone li huma attwalment impjegati għall-esperimenti ta 'preċiżjoni tagħna."
Figura 1: Il-laser tal-gemstone tat-titanju fuq skala taċ-ċippa żviluppat mit-tim tar-riċerka tal-Prof. Jelena Vučković. Il-laser jistrieħ djagonalment kontra gemstone tat-titanju, it-tnejn jistrieħu fuq kwart.
Disinn tal-laser għaqlija
Il-laser fuq skala taċ-ċippa żviluppat mit-tim jikkonsisti f'żewġ partijiet ewlenin: waveguide u ring resonator.
Saff ta 'Australian tat-titanju jitqiegħed fuq sottostrat tad-dijossidu tas-silikon (SiO2), li mbagħad jitqiegħed fuq kristall taż-żaffir. Is-saff tal-gemstone tat-titanju huwa mitħun, inċiż u illustrat għal ħxuna ta 'ftit mijiet ta' nanometri biss. Imbagħad kien imfassal b'waveguide, li jaġixxi bħala vortiċi ta 'ħniek żgħar li jiggwidaw id-dawl hekk kif jivvjaġġa minnu.
Jintuża heater minjatura biex issaħħan il-waveguide, li jibdel l-indiċi refrattiv tal-waveguide u l-veloċità li biha d-dawl jivvjaġġa mill-waveguide, sabiex il-wavelength tal-ħruġ ikun jista 'jiġi aġġustat fuq firxa ta' wavelengths, minn aħmar għal infra-aħmar (bħalissa aġġustabbli sa 60 nm).
"Il-waveguide b'forma ta 'spirali hija ekwivalenti għal amplifikatur għal-lejżer, u l-qawwa tiżdied hekk kif il-laser jgħaddi minnu." Yang jispjega, "Ir-resonatur taċ-ċirku jaġixxi kemm bħala filtru biex jimmodula l-wavelength tal-laser permezz ta 'mikroheaters, kif ukoll bħala kavità reżonanti għall-lejżer - li jaġixxi bħala mogħdija ta' riċirkolazzjoni għat-trażmissjoni tal-lejżer."
Figura 2: Immaġini ottika ta 'amplifikatur ta' waveguide tal-gemstone tat-titanju li jkejjel 0.5mm x 0.5mm.
Sfidi għal lejżers tal-gemstone tat-titanju fuq skala taċ-ċippa
L-akbar diffikultà bil-lejżers tal-gemstone tat-titanju hija li jeħtieġu ippumpjar ta 'intensità għolja biex joperaw. Billi rrealizza t-teknoloġija tal-laser tal-gemstone tat-titanju permezz ta 'waveguide ta' preċiżjoni għolja, it-tim ta 'riċerka kiseb żewġ skoperti importanti:
L-ewwel, peress li l-intensità ta 'l-ippumpjar hija l-qawwa diviża skond iż-żona, l-użu ta' waveguides ottiċi tat-titanju gemstone inaqqas b'mod sinifikanti ż-żona ta 'l-ippumpjar. "Dan ifisser li hija meħtieġa biss inqas enerġija (madwar 1000 darba inqas) biex tinkiseb intensità ta 'ippumpjar simili għal dik tas-sistemi kummerċjali tal-gemstone tat-titanju." Yang jispjega, "Allura anke laser semikonduttur tad-dawl aħdar irħis huwa b'saħħtu biżżejjed biex jippompja dan il-laser fuq skala taċ-ċippa."
It-tieni, il-laser tal-gemstone tat-titanju huwa integrat fuq iċ-ċippa. "Il-lejżer taż-żaffir fuq skala taċ-ċippa (mingħajr aktar partijiet li jiċċaqilqu) għandu minjaturizzazzjoni, skalabbiltà u durabilità mhux imqabbla minn lejżers kummerċjali għal manifattura ta 'semikondutturi fuq skala kbira ta' wejfer." Yang miżjud.
Għal Yang, il-qofol ta 'dan ix-xogħol huwa l-użu ta' dan il-laser tal-gemstone tat-titanju fuq skala taċ-ċippa għal esperimenti quantum. Huwa qal, "Kienet sorpriża kbira li tara dan l-apparat ċkejkna jissostitwixxi sistema tal-laser kummerċjali goffa f'esperiment ta 'elettrodinamika kwantistika tal-kavità kumplessa (QED). Minħabba li l-lejżers fuq skala taċ-ċippa li żviluppajna huma tassew eċċezzjonali."
Waħda mill-isfidi li t-tim ta 'riċerka ta' Vučković kellu jegħleb biex il-laser tal-gemstone tat-titanju fuq skala taċ-ċippa jkun verament użabbli għal esperimenti quantum kien li jottimizza l-akkoppjar tas-sors tal-pompa. "Għal esperimenti, il-laser jiġi ppumpjat permezz ta 'passaġġ tad-dawl ta' spazju ħieles," jgħid Yang, "iżda bit-teknoloġija tal-ippakkjar fotoniku, huwa possibbli li jiġi integrat laser semikonduttur tad-dawl aħdar li jservi bħala s-sors tal-pompa għall-gemstone tat-titanju fuq skala taċ-ċippa. bil-laser billi jiġi ottimizzat l-igganċjar tas-sistema tal-imballaġġ u s-sors tal-pompa, jista 'jinkiseb output tal-lejżer ta' qawwa ogħla, u l-lejżer huwa kemm portabbli kif ukoll durabbli."
Applikazzjonijiet potenzjali
Lejżers tal-gemstone tat-titanju fuq skala taċ-ċippa għandhom firxa wiesgħa ta 'applikazzjonijiet, minn teknoloġiji quantum bħal quantum computing u arloġġi atomiċi għal applikazzjonijiet mediċi bħal tomografija ta' koerenza ottika u mikroskopija b'żewġ fotoni.
"Nisperaw li din it-teknoloġija timmatura u tintuża f'dawn l-oqsma fil-ftit snin li ġejjin," qal Yang. Wara li jiggradwa dan is-sajf, se jaħdem għal Brightlight Photonics, kumpanija li se taħdem biex tiffaċilita l-kummerċjalizzazzjoni ta 'lejżers tal-gemstone tat-titanju fuq skala taċ-ċippa.
Bħalissa, Jelena Vučković u t-tim ta' riċerka tagħha qed jaħdmu fuq laser tat-titanju fuq skala taċ-ċippa tunable mode-locked.
Lejżers pulsati "se jiftħu opportunitajiet ġodda għal applikazzjonijiet tal-laser fit-teknoloġija kwantistika, l-ipproċessar klassiku tal-informazzjoni u l-bijomediċina," qal il-Prof. Vučković.
