Pasukan penyelidik yang diketuai oleh Jelena Vučković, seorang profesor kejuruteraan elektrik di Universiti Stanford, telah mempelopori penyepaduan laser batu permata titanium (Ti: nilam) pada cip (yang boleh dipam dengan penuding laser hijau). Berbanding dengan mana-mana laser batu permata titanium lain yang tersedia pada masa ini, prototaip ini adalah empat susunan magnitud yang lebih kecil (iaitu, satu sepuluh ribu daripada asal) dan tiga pesanan magnitud lebih rendah dalam kos (iaitu, seperseribu daripada asal).
Laser batu permata titanium, kerana lebar jalur keuntungan tinggi dan output nadi ultrafast, amat diperlukan dalam bidang seperti optik kuantum, spektroskopi dan neurosains termaju. Walau bagaimanapun, saiznya yang besar dan harga yang tinggi (ratusan ribu dolar setiap satu), serta keperluan untuk peranti berkuasa tinggi (masing-masing dijual pada harga kira-kira $30,000) untuk mengepamnya, telah mengehadkan penggunaan meluasnya.
"Di Makmal Stanford untuk Nano dan Fotonik Kuantum, kami telah menjalankan beberapa eksperimen kuantum berdasarkan bit kuantum putaran keadaan pepejal dalam bahan seperti berlian dan silikon karbida. Percubaan ini banyak bergantung pada laser batu permata titanium komersial." Joshua Yang, seorang pelajar PhD dalam pasukan Vučković, menerangkan.
Selain mahal, laser batu permata titanium adalah kompleks dan selalunya memerlukan penyelenggaraan yang kerap untuk memastikan ia berfungsi dengan baik.Prof. Pasukan penyelidik Vučković menjalankan sejumlah besar eksperimen yang mana laser batu permata titanium tidak mempunyai masa mesin yang mencukupi, dan oleh itu perlu berkongsi peralatan dan menguruskan jadual percubaan. Di samping itu, kerana kuasa yang diperlukan untuk eksperimen adalah jauh lebih rendah daripada kuasa keluaran laser batu permata titanium komersial, output laser hanya boleh dilemahkan dengan beberapa pesanan magnitud, mengakibatkan sebahagian besar kuasa laser dibazirkan.
Yang berkata, "Laser nilam titanium berskala cip, kerana kos rendah, kekompakan dan kestabilannya, boleh menggantikan sistem laser batu permata titanium komersial yang digunakan pada masa ini untuk eksperimen ketepatan kami."
Rajah 1: Laser batu permata titanium skala cip yang dibangunkan oleh pasukan penyelidik Prof. Jelena Vučković. Laser terletak secara menyerong pada batu permata titanium, kedua-duanya terletak pada suku.
Reka bentuk laser yang bijak
Laser berskala cip yang dibangunkan oleh pasukan itu terdiri daripada dua bahagian utama: pandu gelombang dan resonator cincin.
Lapisan batu permata titanium diletakkan pada substrat silikon dioksida (SiO2), yang kemudiannya diletakkan pada kristal nilam. Lapisan batu permata titanium dikisar, terukir dan digilap dengan ketebalan hanya beberapa ratus nanometer. Ia kemudiannya dicorakkan dengan pandu gelombang, yang bertindak sebagai pusaran rabung kecil yang membimbing cahaya semasa ia melaluinya.
Pemanas kecil digunakan untuk memanaskan pandu gelombang, yang mengubah indeks biasan pandu gelombang dan kelajuan cahaya bergerak melalui pandu gelombang, supaya panjang gelombang keluaran boleh dilaraskan pada julat panjang gelombang, daripada merah ke inframerah (pada masa ini boleh laras hingga 60 nm).
"Pandu gelombang berbentuk lingkaran adalah bersamaan dengan penguat untuk laser, dan kuasa meningkat apabila laser melaluinya." Yang menerangkan, "Resonator cincin bertindak sebagai penapis untuk memodulasi panjang gelombang laser melalui mikroheater, dan sebagai rongga resonan untuk laser - bertindak sebagai laluan peredaran semula untuk penghantaran laser."
Rajah 2: Imej optik penguat pandu gelombang batu permata titanium berukuran 0.5mm x 0.5mm.
Cabaran untuk laser batu permata titanium skala cip
Kesukaran terbesar dengan laser batu permata titanium ialah ia memerlukan pengepaman berintensiti tinggi untuk beroperasi. Dengan merealisasikan teknologi laser batu permata titanium melalui pandu gelombang berketepatan tinggi, pasukan penyelidik mencapai dua kejayaan penting:
Pertama, kerana keamatan pengepaman adalah kuasa dibahagikan mengikut kawasan, menggunakan pandu gelombang optik batu permata titanium dengan ketara mengurangkan kawasan pengepaman. "Ini bermakna hanya kuasa yang kurang (kira-kira 1000 kali kurang) diperlukan untuk mencapai keamatan pengepaman yang serupa dengan sistem batu permata titanium komersial." Yang menerangkan, "Jadi walaupun laser semikonduktor cahaya hijau yang murah cukup kuat untuk mengepam laser skala cip ini."
Kedua, laser batu permata titanium disepadukan pada cip. "Laser nilam berskala cip (tanpa lebih banyak bahagian bergerak) mempunyai pengecilan, kebolehskalaan dan ketahanan yang tidak dapat ditandingi oleh laser komersial untuk pembuatan semikonduktor peringkat wafer berskala besar." Yang menambah.
Bagi Yang, kemuncak kerja ini ialah penggunaan laser batu permata titanium skala cip ini untuk eksperimen kuantum. Beliau berkata, "Ia adalah satu kejutan besar untuk melihat peranti kecil ini menggantikan sistem laser komersil yang besar dalam eksperimen elektrodinamik kuantum rongga kompleks (QED). Kerana laser berskala cip yang kami bangunkan benar-benar luar biasa."
Salah satu cabaran yang perlu diatasi oleh pasukan penyelidik Vučković untuk menjadikan laser batu permata titanium skala cip benar-benar boleh digunakan untuk eksperimen kuantum ialah mengoptimumkan gandingan sumber pam. "Untuk eksperimen, laser dipam melalui laluan cahaya ruang bebas, " kata Yang, "tetapi dengan teknologi pembungkusan fotonik, adalah mungkin untuk menyepadukan laser semikonduktor cahaya hijau yang berfungsi sebagai sumber pam untuk batu permata titanium skala cip. Dengan mengoptimumkan gandingan sistem pembungkusan dan sumber pam, output laser kuasa yang lebih tinggi boleh dicapai, dan laser adalah mudah alih dan tahan lama."
Permohonan yang berpotensi
Laser batu permata titanium skala cip mempunyai pelbagai aplikasi, daripada teknologi kuantum seperti pengkomputeran kuantum dan jam atom kepada aplikasi perubatan seperti tomografi koheren optik dan mikroskop dua foton.
"Semoga teknologi ini akan matang dan digunakan dalam bidang ini dalam beberapa tahun akan datang," kata Yang. Selepas menamatkan pengajian musim panas ini, dia akan bekerja untuk Brightlight Photonics, sebuah syarikat yang akan berusaha untuk memudahkan pengkomersilan laser batu permata titanium skala cip.
Pada masa ini, Jelena Vučković dan pasukan penyelidiknya sedang mengusahakan laser titanium skala cip terkunci mod boleh tala.
Laser berdenyut "akan membuka peluang baharu untuk aplikasi laser dalam teknologi kuantum, pemprosesan maklumat klasik dan bioperubatan," kata Prof. Vučković.
