Penyelidik UC Santa Barbara telah membangunkan laser yang padat dan kos rendah yang menyaingi prestasi sistem skala makmal. Ia menggunakan atom rubidium dan teknik integrasi cip canggih untuk membolehkan aplikasi seperti pengkomputeran kuantum, pemotongan masa dan penderiaan alam sekitar, termasuk pemetaan graviti berasaskan satelit.
Laser sangat diperlukan untuk eksperimen yang memerlukan pengukuran dan kawalan atom yang sangat tepat, seperti jam atom dua foton, sensor interferometer atom sejuk dan pintu kuantum. Kunci keberkesanan laser adalah kesucian spektrum mereka, yang merupakan pelepasan cahaya hanya satu warna, atau kekerapan. Hari ini, mencapai cahaya ultra-rendah, cahaya yang stabil yang diperlukan untuk aplikasi ini bergantung kepada sistem laser benchtop yang besar dan mahal yang direka untuk menjana dan mengurus foton dalam pelbagai spektrum sempit.
Tetapi bagaimana jika aplikasi atom ini dapat melepaskan batas makmal dan benchtop? Ini adalah penyelidikan memandu visi di makmal Daniel Blumenthal, seorang profesor kejuruteraan di UC Santa Barbara, di mana pasukannya sedang berusaha untuk meniru prestasi laser ketepatan tinggi ini dalam peranti ringan dan ringan.
"Laser kecil ini akan membolehkan penyelesaian laser berskala untuk sistem kuantum praktikal, serta laser untuk sensor kuantum berasaskan medan mudah alih, medan dan ruang," kata Andrei Isichenko, penyelidik siswazah di makmal Blumenthal. "Ini akan mempunyai implikasi untuk bidang teknologi seperti pengkomputeran kuantum menggunakan atom neutral dan ion terperangkap, serta sensor kuantum atom sejuk seperti jam atom dan gravimeter."
Dalam kertas yang diterbitkan dalam jurnal Laporan Saintifik, Blumenthal, Isichenko dan pasukan mereka menggambarkan perkembangan laser nanometer linewidth linewidth linewidth linewidth {4}} ke arah ini. Para penyelidik mengatakan peranti itu, yang kira-kira saiz kotak perlawanan, boleh mengatasi laser sempit semasa 780- nm pada sebahagian kecil daripada kos dan ruang pembuatan.
Atom Rubidium dipilih untuk laser kerana mereka mempunyai sifat terkenal yang menjadikannya sesuai untuk pelbagai aplikasi ketepatan tinggi. Kestabilan peralihan optik D2 mereka menjadikan mereka sesuai untuk jam atom; Kepekaan atom juga menjadikan mereka pilihan yang popular untuk sensor dan fizik atom sejuk. Dengan melewati laser melalui wap atom rubidium yang berfungsi sebagai rujukan atom, laser inframerah berhampiran mengambil sifat-sifat peralihan atom yang stabil.
"Anda menggunakan garis peralihan atom untuk menjebak laser," kata Blumenthal, pengarang kanan kertas itu. "Dalam erti kata lain, dengan mengunci laser ke garis peralihan atom, laser lebih kurang mengambil sifat -sifat peralihan atom itu dari segi kestabilan."
Tetapi lampu merah mewah tidak membuat laser ketepatan. Untuk mendapatkan kualiti cahaya laser yang ideal, "bunyi" mesti dikeluarkan. Blumenthal menggambarkannya sebagai garpu penalaan berbanding rentetan gitar. "Jika anda memukul C dengan garpu penalaan, ia mungkin sangat sempurna C," jelasnya. "Tetapi jika anda memukul C pada gitar, anda boleh mendengar nada lain di dalamnya." Begitu juga, cahaya laser mungkin mengandungi frekuensi yang berbeza (warna), mewujudkan "nada" tambahan. Untuk menghasilkan kekerapan tunggal yang diperlukan (dalam kes ini, cahaya merah dalam tulen), sistem menggunakan komponen tambahan untuk melicinkan cahaya laser. Cabaran bagi penyelidik adalah untuk mengemas semua fungsi dan prestasi ini ke cip tunggal.
"Pasukan ini menggunakan gabungan diod laser Fabry-Perot yang tersedia secara komersil, gelombang gelombang yang paling rendah di dunia (dibuat oleh makmal Blumenthal), dan resonator faktor yang berkualiti tinggi, semuanya dibuat pada platform silikon nitrida. Mampu meniru prestasi sistem benchtop besar -- mengikut ujian mereka, peranti mereka mengatasi beberapa laser benchtop, serta laser bersepadu yang dilaporkan sebelum ini, dengan empat pesanan magnitud dalam metrik utama seperti bunyi kekerapan dan linewidth.
"Kepentingan nilai linewidth rendah ialah kita dapat mencapai laser padat tanpa mengorbankan prestasi laser," jelas Isichenko. "Dalam beberapa cara, prestasi bertambah baik berbanding dengan laser konvensional kerana integrasi skala cip penuh yang telah dicapai. Linewidths ini membantu kita berinteraksi dengan lebih baik dengan sistem atom, menghapuskan sumbangan bunyi laser dan dengan itu menyelesaikan sepenuhnya isyarat atom di dalam Tanggapan terhadap persekitaran yang mereka rasa, dan lain -lain "
Linewidths yang rendah, untuk projek ini, adalah sub-Hertz yang rendah dan sub-Kilohertz bersepadu linewidths, menunjukkan kestabilan teknologi laser dan keupayaan untuk mengatasi bunyi dari kedua-dua sumber luaran dan dalaman.
Kelebihan teknologi lain termasuk kos-ia menggunakan $ 50 diod dan direka menggunakan proses pembuatan kos efektif dan berskala yang dibina menggunakan proses skala wafer yang serasi CMOS, meminjam dari dunia pembuatan cip elektronik. Kejayaan teknologi ini bermakna bahawa laser bersepadu fotonik yang berprestasi tinggi, ketepatan tinggi ini boleh digunakan dalam pelbagai tetapan di dalam dan di luar makmal, termasuk eksperimen kuantum, masa atom, dan mengesan isyarat yang paling lemah, seperti perubahan pecutan graviti di sekitar Bumi.
"Anda boleh meletakkan instrumen ini pada satelit dan memetakan graviti di dalam dan di sekitar bumi dengan beberapa ketepatan," kata Blumenthal. "Anda dapat merasakan medan graviti di sekitar bumi untuk mengukur kenaikan paras laut, perubahan ais laut, dan gempa bumi." Beliau menambah: "Teknologi ini padat, kuasa rendah, dan ringan, menjadikannya sesuai untuk penempatan di angkasa."
