Laser telah merevolusikan dunia sejak tahun 1960-an dan kini merupakan alat yang sangat diperlukan untuk aplikasi moden daripada pembedahan canggih dan pembuatan ketepatan kepada penghantaran data gentian optik.
Tetapi apabila permintaan untuk aplikasi laser meningkat, begitu juga cabaran. Sebagai contoh, terdapat pasaran yang semakin meningkat untuk laser gentian, yang kini digunakan terutamanya dalam aplikasi pemotongan, kimpalan dan penandaan industri.
Laser gentian menggunakan gentian optik yang didopkan dengan unsur nadir bumi (erbium, ytterbium, neodymium, dll.) sebagai sumber perolehan optik (bahagian yang menghasilkan cahaya laser). Laser gentian memancarkan rasuk berkualiti tinggi dengan kuasa keluaran yang tinggi, kecekapan tinggi, penyelenggaraan yang rendah, ketahanan, dan biasanya lebih kecil daripada laser gas. Laser gentian juga merupakan "standard emas" untuk hingar fasa rendah, yang bermaksud bahawa rasuk mereka boleh stabil dalam jangka 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 keselarasan dan kestabilan laser yang tinggi. Walau bagaimanapun, bagaimana untuk mengekalkan prestasi laser gentian pada skala kecil telah menjadi satu cabaran untuk laser gentian kecil.
Kini, saintis yang diketuai oleh Dr. Yang Liu dan Prof. Tobias Kippenberg di EPFL telah mencipta laser pandu gelombang doped erbium bersepadu cip pertama dengan prestasi yang hampir dengan laser gentian, sambil menggabungkan utiliti kebolehtunaian panjang gelombang luas dan fotonik skala cip. integrasi. Kajian itu diterbitkan dalam Nature Photonics.
Membina 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) berdasarkan litar bersepadu fotonik nitrida silikon yang sangat rendah.
Dr. Yang Liu berkata, "Walaupun saiz cip yang padat, kami dapat mereka bentuk rongga laser sepanjang satu meter berkat penyepaduan resonator mikrovia ini, yang memanjangkan laluan optik secara berkesan tanpa membesarkan peranti secara fizikal."
Pasukan itu kemudiannya menanam kepekatan tinggi ion erbium dalam litar untuk menjana secara selektif medium keuntungan aktif yang diperlukan untuk pengelasan. Akhirnya, mereka menyepadukan litar dengan laser pam semikonduktor Kumpulan III-V untuk merangsang ion erbium untuk memancarkan cahaya dan menghasilkan pancaran laser.
Untuk memperhalusi prestasi laser dan mencapai kawalan panjang gelombang yang tepat, para penyelidik mencipta reka bentuk intracaviti yang inovatif yang menampilkan penapis berasaskan Vernier mikroporous, penapis optik yang membolehkan pemilihan frekuensi optik tertentu.
Penapis ini membolehkan penalaan dinamik panjang gelombang laser pada julat panjang gelombang yang luas, menjadikannya serba boleh dan sesuai untuk pelbagai aplikasi. Reka bentuk ini menyokong laser mod tunggal yang stabil dengan lebar talian dalaman yang sangat sempit hanya 50 Hz.
Ia juga menampilkan penindasan mod sisi yang ketara, di mana 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.
Imej optik laser bersepadu hibrid berdasarkan litar bersepadu fotonik berdop erbium, menawarkan keselarasan laser gentian dan kebolehtunaian frekuensi yang tidak boleh dicapai sebelum ini.
Kuasa, Ketepatan, Kestabilan dan Bunyi Rendah
Laser gentian erbium skala cip mempunyai kuasa keluaran lebih daripada 10 mW dan nisbah penolakan mod sisi lebih daripada 70 dB, yang lebih baik daripada kebanyakan sistem konvensional.
Ia juga mempunyai lebar garis 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 apertur mikro membolehkan laser mempunyai kebolehtalakan panjang gelombang yang luas 40 nm dalam kedua-dua jalur C dan jalur L (julat panjang gelombang yang digunakan untuk telekom), mengatasi laser gentian konvensional dalam kedua-dua penalaan dan lonjakan spektrum rendah metrik ("pancang" ialah frekuensi yang tidak diingini), sementara pada masa yang sama serasi dengan proses pembuatan semikonduktor semasa kekal serasi.
Laser Generasi Seterusnya
Mengecilkan dan menyepadukan laser gentian erbium ke dalam peranti berskala cip mengurangkan kos keseluruhannya, membolehkan ia digunakan dalam sistem mudah alih yang sangat bersepadu dalam telekomunikasi, diagnostik perubatan dan elektronik pengguna.
Ia juga boleh mengecilkan teknologi optik untuk pelbagai aplikasi lain, seperti LIDAR, fotonik gelombang mikro, sintesis frekuensi optik dan komunikasi ruang bebas.
