Gambaran Keseluruhan Laser telah merevolusikan dunia sejak tahun 1960-an dan kini merupakan alat yang sangat diperlukan dalam aplikasi moden, daripada pembedahan termaju dan pembuatan ketepatan kepada penghantaran data gentian optik. Walau bagaimanapun, apabila permintaan untuk aplikasi laser meningkat, cabaran juga timbul. Sebagai contoh, pasaran untuk laser gentian semakin berkembang, dan pada masa ini ia digunakan terutamanya dalam aplikasi pemotongan, kimpalan dan penandaan industri. Laser gentian menggunakan gentian optik yang didop dengan unsur nadir bumi (erbium, ytterbium, neodymium, dll.) sebagai medium perolehan optik. Laser gentian menghasilkan rasuk berkualiti tinggi, kuasa keluaran tinggi, kecekapan tinggi, kos penyelenggaraan yang rendah dan ketahanan, dan secara amnya lebih kecil daripada laser gas. Laser gentian juga merupakan "standard emas" untuk bunyi fasa rendah, yang bermaksud bahawa rasuk mereka boleh kekal stabil untuk masa yang lama. Walaupun begitu, terdapat permintaan yang semakin meningkat untuk pengecilan laser gentian berskala cip. Laser gentian berasaskan erbium sangat diminati kerana ia memenuhi semua keperluan untuk mengekalkan koheren dan kestabilan laser yang tinggi. Walau bagaimanapun, bagaimana untuk mengekalkan prestasi laser gentian pada skala kecil sentiasa menjadi cabaran untuk mengecilkan laser gentian.
Kini, satu pasukan saintis yang diketuai oleh Dr. Yang Liu dan Profesor Tobias Kippenberg di EPFL telah mencipta laser pandu gelombang doped erbium bersepadu cip pertama yang mendekati prestasi laser gentian sambil menggabungkan kebolehtunaian panjang gelombang yang luas dengan kepraktisan fotonik skala cip. integrasi. Kajian itu diterbitkan dalam Nature Photonics.
Imej laser erbium bersepadu hibrid yang dibungkus sepenuhnya berdasarkan cip bersepadu fotonik nitrida silikon, yang menyediakan keselarasan laser gentian dan kebolehtunaian frekuensi yang tidak dapat dicapai sebelum ini. Sumber: Andrea Bancora dan Yang Liu (EPFL).
Merekacipta laser berskala cip
Para penyelidik membangunkan laser erbium skala cip menggunakan proses fabrikasi terkini. Mereka mula-mula membina rongga optik pada cip sepanjang satu meter (satu set cermin yang memberikan maklum balas optik) pada cip bersepadu fotonik nitrida silikon yang sangat rendah. "Walaupun saiz cip yang kecil, kami dapat mereka bentuk rongga laser menjadi satu meter panjang, terima kasih kepada penyepaduan resonator lubang mikro ini, yang memanjangkan laluan optik secara berkesan tanpa membesarkan peranti secara fizikal," kata Dr. Yang Liu. Pasukan itu kemudiannya menanam kepekatan tinggi ion erbium dalam cip untuk secara selektif menghasilkan medium keuntungan aktif yang diperlukan untuk pengelasan. Akhirnya, mereka menyepadukan litar dengan laser pam semikonduktor III-V untuk merangsang ion erbium, menyebabkan mereka memancarkan cahaya dan menghasilkan pancaran laser.
Rajah 1: Laser Er:Si3N4 bersepadu hibrid. Sumber: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., "Laser berasaskan erbium bersepadu sepenuhnya hibrid", Nature Photonics (2024). Untuk memperhalusi prestasi laser dan membolehkan kawalan panjang gelombang yang tepat, para penyelidik mencipta reka bentuk intracaviti yang inovatif menggunakan penapis Vernier berasaskan mikropori, penapis optik yang mampu memilih frekuensi cahaya tertentu. Penapis ini boleh melaraskan panjang gelombang laser secara dinamik pada julat yang luas, menjadikannya serba boleh dan sesuai untuk pelbagai aplikasi. Reka bentuk ini menyokong laser mod tunggal yang stabil dengan lebar talian intrinsik hanya 50 Hz.
Ia juga mempunyai penindasan mod sisi yang ketara - laser mampu memancarkan cahaya pada frekuensi tunggal yang stabil sambil meminimumkan keamatan frekuensi lain ("mod sampingan"). Ini memastikan output "bersih" dan stabil merentasi keseluruhan julat spektrum untuk aplikasi ketepatan tinggi.
Rajah 2: Laser bersepadu Hibrid Er:Si3N4vernier beroperasi dalam pengelasan mod tunggal. Sumber: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., "Laser berasaskan erbium bersepadu sepenuhnya hibrid," Nature Photonics (2024). Kuasa, ketepatan, kestabilan dan hingar rendah Laser gentian erbium skala cip mempunyai kuasa keluaran lebih daripada 10 mW dan nisbah penindasan mod sisi lebih daripada 70 dB, yang lebih baik daripada kebanyakan sistem konvensional. Ia juga mempunyai lebar talian yang sangat sempit, yang bermaksud bahawa cahaya yang dipancarkannya adalah sangat tulen dan stabil, yang penting untuk aplikasi yang koheren seperti penderiaan, giroskop, lidar, dan metrologi frekuensi optik. Penapis Vernier berasaskan lubang mikro memberikan kebolehtunaian panjang gelombang lebar laser sebanyak 40 nm dalam jalur C dan jalur L (julat panjang gelombang yang digunakan untuk telekomunikasi), mengatasi laser gentian konvensional dalam penalaan dan taji spektrum rendah ("taji" ialah frekuensi yang tidak diingini ) sambil kekal serasi dengan proses pembuatan semikonduktor semasa.
Rajah 3: Demonstrasi penalaan jalur lebar panjang gelombang laser. Sumber: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji, et al., "Laser berasaskan erbium bersepadu sepenuhnya hibrid," Nature Photonics (2024). Laser generasi akan datang
Mengecilkan dan menyepadukan laser gentian erbium ke dalam peranti berskala cip boleh mengurangkan kos keseluruhannya, menjadikannya berguna untuk sistem mudah alih yang sangat bersepadu dalam telekomunikasi, diagnostik perubatan dan elektronik pengguna.
Rajah 4: Pencirian hingar laser bersepadu sepenuhnya hibrid dan EDWL. Sumber: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al, "Laser berasaskan erbium bersepadu sepenuhnya hibrid," Nature Photonics (2024). Ia juga boleh mengurangkan teknologi optik untuk pelbagai aplikasi lain, seperti LIDAR, fotonik gelombang mikro, sintesis frekuensi optik dan komunikasi ruang bebas. kata Dr. Yang Liu, "Kawasan aplikasi untuk laser bersepadu dop erbium baharu ini hampir tidak terhad."
