Výzkumníci UC Santa Barbara vyvinuli kompaktní, levný laser, který soupeří s výkonem systémů laboratorního měřítka. Používá atomy Rubidium a pokročilé techniky integrace čipů k umožnění aplikací, jako je kvantové výpočetní techniky, časové míry a snímání životního prostředí, včetně mapování gravitace založené na satelitu.
Lasery jsou nepostradatelné pro experimenty, které vyžadují ultra-precizivní atomové měření a kontrolu, jako jsou atomové hodiny dvou fotonu, senzory interferometru a kvantové brány za studena a atomu. Klíčem k účinnosti laserů je jejich spektrální čistota, což je emise světla pouze jedné barvy nebo frekvence. Dnes se dosažení ultralehkového šum, stabilního světla potřebného pro tyto aplikace spoléhá na objemné a drahé laserové systémy na laseru, které jsou určeny k generování a správě fotonů v úzkém spektrálním rozsahu.
Co kdyby však tyto atomové aplikace mohly uniknout omezením laboratoře a lavice? Toto je výzkum Vision Driving v laboratoři Daniela Blumenthala, profesora inženýrství v UC Santa Barbara, kde jeho tým pracuje na replikaci výkonu těchto vysoce přesných laserů v lehkých, kapesních zařízeních.
„Tyto malé lasery umožní škálovatelným laserovým řešením pro praktické kvantové systémy a lasery pro přenosné, polní a kosmické kvantové senzory,“ řekl Andrei Isichenko, postgraduální výzkumný pracovník v laboratoři Blumenthalu. „To bude mít důsledky pro technologické oblasti, jako je kvantové výpočetní techniky pomocí neutrálních atomů a zachycených iontů, jakož i kvantové senzory atomové atomové atomové hodiny, jako jsou atomové hodiny a gravimetry.“
V příspěvku publikovaném v časopise Scientific Reports, Blumenthal, Isichenko a jejich tým popisují vývoj ultra nízké liniové šířky samostatného injekce zamyšleného 780- nanometru laseru v tomto směru. Vědci tvrdí, že zařízení, které je o velikosti soupravy, může překonat aktuální úzkou šířku 780- nm lasery za zlomek výrobních nákladů a prostoru.
Atomy rubidia byly vybrány pro laser, protože mají známé vlastnosti, díky nimž jsou ideální pro různé vysoce přesné aplikace. Stabilita jejich optického přechodu D2 je činí ideální pro atomové hodiny; Citlivost atomů z nich také činí oblíbenou volbu pro senzory a fyziku atomové atom. Procházením laserem párou atomů rubidia, které slouží jako atomová reference, se laser blízký infračervené infračervená vlastností stabilního atomového přechodu přebírá.
„Používáte atomovou přechodnou linii k zachycení laseru,“ říká Blumenthal, vedoucí autor papíru. "Jinými slovy, zamčením laseru na atomovou přechodnou linii se laser více či méně nabývá vlastností tohoto atomového přechodu z hlediska stability."
Ale fantastické červené světlo neznamená přesný laser. Aby bylo možné získat ideální kvalitu laserového světla, musí být „šum“ odstraněn. Blumenthal to popisuje jako ladící vidličku versus kytarovou řetězec. „Pokud narazíte na C s ladicí vidličkou, může to být velmi dokonalá C,“ vysvětluje. "Ale pokud zasáhnete C na kytaru, můžete v ní slyšet další tóny." Podobně může laserové světlo obsahovat různé frekvence (barvy) a vytvářet další „tóny“. Pro vytvoření požadované frekvence (v tomto případě čistě tmavě červené světlo) systém používá další komponenty k dalšímu vyhlazení laserového světla. Výzvou pro vědce bylo zabalit všechny tyto funkce a výkon na jeden čip.
„Tým použil kombinaci komerčně dostupných laserových diodů Fabry-Perot, vlnovodů s nejnižší ztrátou na světě (vyrobených Blumenthalovou laboratoří) a rezonátorů nejvyšší kvality, vše vyrobených na platformě nitridu silikonu. Podle jejich testů, jejich zařízení, schopné replikovat výkon objemných laserů, a dříve hlášené integrované lasery, podle jejich testů, o čtyři řády, jako je frekvenční šum a šířka linky, překonal některé lasery laserů, a také dříve hlášené integrované lasery.
„Význam hodnot nízké šířky šířky je, že můžeme dosáhnout kompaktních laserů, aniž bychom obětovali laserový výkon,“ vysvětlil Isichenko. „V některých ohledech se výkon ve srovnání s konvenčními lasery zlepšuje z důvodu úplné integrace čipu, která byla dosažena. Tyto šířky nám pomáhají lépe komunikovat s atomovým systémem a eliminovat příspěvek laserového hluku, a tak plně vyřešit atomové signály v. Reakce na životní prostředí, které cítí atd. “
Pro tento projekt jsou pro tento projekt nízké šířky linií, které jsou rekordními základními sub-Hertz základními a sub-kilohertz integrovanými šířkami linků, což ukazuje na stabilitu a schopnost laserové technologie překonávat hluk z externích i vnitřních zdrojů.
Mezi další výhody této technologie patří náklady na diody 50 USD a je vyrobeno pomocí nákladově efektivního a škálovatelného výrobního procesu, který je vytvořen pomocí procesů kompatibilních s CMOS kompatibilními s oplatkou, půjčování ze světa elektronické výroby čipů. Úspěch této technologie znamená, že tyto vysoce výkonné, vysoce přesné a levné fotonické integrované lasery by mohly být nasazeny v různých nastaveních uvnitř i vně laboratoře, včetně kvantových experimentů, atomového načasování a snímání nejslabších signálů. jako jsou změny gravitačního zrychlení kolem Země.
„Mohli byste tyto nástroje položit na satelity a mapují gravitaci do země a kolem Země s určitou přesností,“ řekl Blumenthal. "Cítil jsi gravitační pole kolem Země, abyste změřili zvýšení hladiny moře, změny v mořském ledu a zemětřesení." Dodal: „Tato technologie je kompaktní, nízká a lehká, takže je ideální pro nasazení ve vesmíru.“
