Tým výzkumníků vedený Jelenou Vučković, profesorkou elektrotechniky na Stanfordské univerzitě, je průkopníkem integrace laseru z titanových drahokamů (Ti:safír) na čip (který lze pumpovat zeleným laserovým ukazovátkem). Ve srovnání s jakýmkoliv jiným aktuálně dostupným titanovým drahokamovým laserem je tento prototyp o čtyři řády menší (tj. jedna desetitisícina originálu) a o tři řády nižší náklady (tj. jedna tisícina originálu).
Titanové drahokamové lasery jsou díky své vysoké šířce pásma a ultrarychlému pulznímu výstupu nepostradatelné v oborech, jako je špičková kvantová optika, spektroskopie a neurověda. Jejich velké rozměry a vysoká cena (stovky tisíc dolarů za kus) a také potřeba vysoce výkonných zařízení (každé se prodává za přibližně 30 USD,000) k jejich pumpování však omezují jejich široké použití.
"V laboratoři Stanford's Laboratory for Nano and Quantum Photonics jsme provedli několik kvantových experimentů založených na spinových kvantových bitech v pevné fázi v materiálech, jako je diamant a karbid křemíku. Tento experiment se do značné míry opírá o komerční titanové drahokamové lasery." Joshua Yang, doktorand z Vučkovićova týmu, vysvětluje.
Kromě toho, že jsou drahé, jsou titanové drahokamové lasery složité a často vyžadují pravidelnou údržbu, aby dobře fungovaly.Prof. Vučkovićův výzkumný tým provádí velké množství experimentů, na které nemají titanové drahokamové lasery dostatek strojového času, a proto musí sdílet vybavení a řídit harmonogram experimentů. Navíc, protože výkon potřebný pro experimenty je mnohem nižší než výstupní výkon komerčních titanových drahokamových laserů, může být výkon laseru zeslaben pouze o několik řádů, což vede k plýtvání velkou částí výkonu laseru.
Yang řekl: "Titanové safírové lasery v třískovém měřítku mohou díky své nízké ceně, kompaktnosti a stabilitě nahradit komerční laserové systémy z titanových drahokamů, které se v současnosti používají pro naše přesné experimenty."
Obrázek 1: Čipový titanový drahokamový laser vyvinutý výzkumným týmem prof. Jeleny Vučković. Laser spočívá diagonálně na titanovém drahokamu, oba spočívají na čtvrtině.
Chytrý laserový design
Čipový laser vyvinutý týmem se skládá ze dvou hlavních částí: vlnovodu a prstencového rezonátoru.
Vrstva titanových drahokamů je umístěna na substrát oxidu křemičitého (SiO2), který je následně umístěn na safírovém sklíčku. Vrstva titanového drahokamu je broušena, leptána a leštěna na tloušťku pouhých několika stovek nanometrů. Poté byl vzorován vlnovodem, který funguje jako vír drobných hřebenů, které vedou světlo, když jím prochází.
K ohřevu vlnovodu se používá miniaturní topné těleso, které mění index lomu vlnovodu a rychlost, kterou světlo prochází vlnovodem, takže výstupní vlnovou délku lze nastavit v rozsahu vlnových délek, od červené po infračervenou (aktuálně nastavitelná do 60 nm).
"Spirálovitý vlnovod je ekvivalentní zesilovači pro laser a výkon se zvyšuje, jak laser prochází." Yang vysvětluje: "Kruhový rezonátor funguje jak jako filtr pro modulaci vlnové délky laseru pomocí mikroohřívačů, tak jako rezonanční dutina pro laser - funguje jako recirkulační cesta pro laserový přenos."
Obrázek 2: Optický snímek zesilovače vlnovodu z drahokamů titanu o rozměrech 0,5 mm x 0,5 mm.
Výzvy pro lasery na bázi titanových drahokamů
Největším problémem titanových drahokamových laserů je to, že ke svému provozu vyžadují vysoce intenzivní čerpání. Realizací technologie titanového drahokamového laseru prostřednictvím vysoce přesného vlnovodu dosáhl výzkumný tým dvou důležitých průlomů:
Za prvé, protože intenzita čerpání je výkon dělený plochou, použití optických vlnovodů z drahokamů titanu výrazně snižuje čerpací plochu. "To znamená, že k dosažení intenzity čerpání podobné komerčním systémům s titanovými drahokamy je potřeba pouze méně energie (asi 1000krát méně). Yang vysvětluje: "Takže i levný polovodičový laser se zeleným světlem je dostatečně výkonný, aby napumpoval tento laser v měřítku čipů."
Za druhé, titanový drahokamový laser je integrován do čipu. "Safírový laser v měřítku čipů (bez více pohyblivých částí) má miniaturizaci, škálovatelnost a odolnost, které se nevyrovnají komerční lasery pro výrobu polovodičů na úrovni waferů ve velkém." dodal Yang.
Pro Yanga je vrcholem této práce použití tohoto titanového drahokamového laseru v měřítku čipu pro kvantové experimenty. Řekl: "Bylo velkým překvapením vidět toto malé zařízení nahrazující objemný komerční laserový systém ve složitém experimentu kvantové elektrodynamiky v dutině (QED). Protože lasery v měřítku čipů, které jsme vyvinuli, jsou skutečně výjimečné."
Jednou z výzev, které musel Vučkovićův výzkumný tým překonat, aby byl titanový drahokamový laser skutečně použitelný pro kvantové experimenty, byla optimalizace vazby zdroje čerpadla. "Pro experimenty je laser pumpován přes dráhu světla ve volném prostoru," říká Yang, "ale s technologií fotonického balení je možné integrovat polovodičový laser se zeleným světlem, který slouží jako zdroj pumpy pro titanový drahokam v měřítku čipů. laser Optimalizací spojení obalového systému a zdroje pumpy lze dosáhnout vyššího výkonu laseru a laser je přenosný a odolný."
Potenciální aplikace
Chip-scale titanové drahokamové lasery mají širokou škálu aplikací, od kvantových technologií, jako jsou kvantové výpočty a atomové hodiny, až po lékařské aplikace, jako je optická koherentní tomografie a dvoufotonová mikroskopie.
"Doufáme, že tato technologie dospěje a bude v příštích několika letech v těchto oblastech používána," řekl Yang. Po promoci letos v létě bude pracovat pro Brightlight Photonics, společnost, která bude usnadňovat komercializaci titanových drahokamových laserů v měřítku čipů.
V současné době Jelena Vučković a její výzkumný tým pracují na laditelném titanovém laseru s uzamčeným čipem.
Pulzní lasery „otevře nové příležitosti pro laserové aplikace v kvantové technologii, klasickém zpracování informací a biomedicíně,“ řekl prof. Vučković.
