Pētnieku komanda Stenfordas Universitātes elektroinženierzinātņu profesores Jeļenas Vučkovičas vadībā ir aizsācis titāna dārgakmens (Ti:safīra) lāzera integrāciju mikroshēmā (ko var sūknēt ar zaļu lāzera rādītāju). Salīdzinot ar jebkuru citu pašlaik pieejamo titāna dārgakmeņu lāzeru, šis prototips ir par četrām kārtām mazāks (ti, par vienu desmittūkstošdaļu no oriģināla) un par trim kārtām zemākas par izmaksām (ti, vienu tūkstošdaļu no oriģināla).
Titāna dārgakmeņu lāzeri to lielā pastiprinājuma joslas platuma un īpaši ātra impulsa izvades dēļ ir neaizstājami tādās jomās kā progresīvā kvantu optika, spektroskopija un neirozinātne. Tomēr to lielais izmērs un augstā cena (katra simtiem tūkstošu dolāru), kā arī nepieciešamība pēc lieljaudas ierīcēm (katra tiek pārdota par aptuveni 30 ASV dolāriem,{3}}) ir ierobežojusi to plašo izmantošanu.
"Stenfordas Nano un kvantu fotonikas laboratorijā mēs esam veikuši vairākus kvantu eksperimentus, kuru pamatā ir cietvielu griešanās kvantu biti tādos materiālos kā dimants un silīcija karbīds. Šis eksperiments lielā mērā balstās uz komerciāliem titāna dārgakmeņu lāzeriem." Džošua Jangs, Vučkoviča komandas doktorants, skaidro.
Titāna dārgakmeņu lāzeri ir ne tikai dārgi, bet arī sarežģīti, un tiem bieži ir nepieciešama regulāra apkope, lai tie darbotos labi.Prof. Vučkoviča pētnieku komanda veic lielu skaitu eksperimentu, kuriem titāna dārgakmeņu lāzeriem nav pietiekami daudz laika, un tāpēc viņiem ir jāsadala aprīkojums un jāpārvalda eksperimentu grafiks. Turklāt, tā kā eksperimentiem nepieciešamā jauda ir daudz mazāka nekā komerciālo titāna dārgakmeņu lāzeru izejas jauda, lāzera jaudu var vājināt tikai par dažām kārtām, kā rezultātā liela daļa lāzera jaudas tiek izšķiesta.
Jangs sacīja: "Mikroshēmu mēroga titāna safīra lāzeri to zemo izmaksu, kompaktuma un stabilitātes dēļ var aizstāt komerciālās titāna dārgakmeņu lāzeru sistēmas, kuras pašlaik izmanto mūsu precīzajos eksperimentos."
1. attēls. Prof. Jeļenas Vučkovičas pētnieku grupas izstrādātais mikroshēmas mēroga titāna dārgakmeņu lāzers. Lāzers atrodas pa diagonāli pret titāna dārgakmeni, abi balstās uz ceturtdaļas.
Gudrs lāzera dizains
Komandas izstrādātais mikroshēmas mēroga lāzers sastāv no divām galvenajām daļām: viļņvada un gredzena rezonatora.
Titāna dārgakmeņu slānis tiek novietots uz silīcija dioksīda (SiO2) substrāta, kas pēc tam tiek novietots uz safīra kristāla. Titāna dārgakmens slānis ir slīpēts, iegravēts un pulēts līdz tikai dažu simtu nanometru biezumam. Pēc tam tas tika noformēts ar viļņvadu, kas darbojas kā sīku izciļņu virpulis, kas virza gaismu, tai ejot cauri.
Viļņvada sildīšanai izmanto miniatūru sildītāju, kas maina viļņvada refrakcijas indeksu un ātrumu, ar kādu gaisma pārvietojas pa viļņvadu, lai izejas viļņa garumu varētu regulēt dažādos viļņu garumos, sākot no sarkanā līdz infrasarkanajam (šobrīd regulējams līdz 60 nm).
"Spirālveida viļņvads ir līdzvērtīgs lāzera pastiprinātājam, un jauda palielinās, lāzeram ejot cauri." Jans skaidro: "Gredzena rezonators darbojas gan kā filtrs, lai modulētu lāzera viļņa garumu, izmantojot mikrosildītājus, gan kā lāzera rezonanses dobums, kas darbojas kā lāzera pārraides recirkulācijas ceļš."
2. attēls: titāna dārgakmens viļņvada pastiprinātāja optiskais attēls, kura izmēri ir 0,5 mm x 0,5 mm.
Izaicinājumi mikroshēmu mēroga titāna dārgakmeņu lāzeriem
Lielākās grūtības ar titāna dārgakmeņu lāzeriem ir tādas, ka to darbībai ir nepieciešama augstas intensitātes sūknēšana. Realizējot titāna dārgakmeņu lāzertehnoloģiju, izmantojot augstas precizitātes viļņvadu, pētnieku komanda panāca divus svarīgus sasniegumus:
Pirmkārt, tā kā sūknēšanas intensitāte ir jauda dalīta ar laukumu, titāna dārgakmens optisko viļņvadu izmantošana ievērojami samazina sūknēšanas laukumu. "Tas nozīmē, ka ir nepieciešama tikai mazāka jauda (apmēram 1000 reižu mazāka), lai sasniegtu sūknēšanas intensitāti, kas ir līdzīga komerciālām titāna dārgakmeņu sistēmām." Jans skaidro: "Tātad pat lēts zaļās gaismas pusvadītāju lāzers ir pietiekami jaudīgs, lai sūknētu šo mikroshēmas mēroga lāzeru."
Otrkārt, titāna dārgakmeņu lāzers ir integrēts mikroshēmā. "Mikroshēmas mēroga safīra lāzeram (bez kustīgām daļām) ir miniaturizācija, mērogojamība un izturība, kas nepārspējama komerciāliem lāzeriem liela mēroga vafeļu līmeņa pusvadītāju ražošanai." Jangs piebilda.
Jangam šī darba svarīgākais punkts ir šī mikroshēmas mēroga titāna dārgakmeņu lāzera izmantošana kvantu eksperimentiem. Viņš teica: "Tas bija liels pārsteigums redzēt šo niecīgo ierīci, kas aizstāj apjomīgu komerciālu lāzeru sistēmu sarežģītā dobuma kvantu elektrodinamikas (QED) eksperimentā. Tā kā mūsu izstrādātie mikroshēmas mēroga lāzeri ir patiešām izcili."
Viens no izaicinājumiem, kas Vučkoviča pētnieku grupai bija jāpārvar, lai mikroshēmas mēroga titāna dārgakmeņu lāzers būtu patiesi izmantojams kvantu eksperimentiem, bija sūkņa avota savienojuma optimizēšana. "Eksperimentiem lāzers tiek sūknēts pa brīvas telpas gaismas ceļu," saka Jangs, "taču ar fotoniskās iepakošanas tehnoloģiju ir iespējams integrēt zaļās gaismas pusvadītāju lāzeru, kas kalpo kā sūkņa avots mikroshēmas mēroga titāna dārgakmenim. Lāzers, optimizējot iepakošanas sistēmas un sūkņa avota savienojumu, var sasniegt lielāku lāzera jaudu, un lāzers ir gan pārnēsājams, gan izturīgs.
Iespējamie pielietojumi
Mikroshēmas mēroga titāna dārgakmeņu lāzeriem ir plašs pielietojumu klāsts, sākot no kvantu tehnoloģijām, piemēram, kvantu skaitļošanas un atompulksteņiem, līdz medicīniskiem lietojumiem, piemēram, optiskās koherences tomogrāfijai un divu fotonu mikroskopijai.
"Cerams, ka tuvākajos gados šī tehnoloģija nobriest un tiks izmantota šajās jomās," sacīja Jans. Pēc absolvēšanas šovasar viņš strādās uzņēmumā Brightlight Photonics, kas strādās, lai atvieglotu mikroshēmu mēroga titāna dārgakmeņu lāzeru komercializāciju.
Pašlaik Jeļena Vučkoviča un viņas pētnieku komanda strādā pie noskaņojama režīma bloķēta mikroshēmas mēroga titāna lāzera.
Impulsu lāzeri "pavērs jaunas iespējas lāzera lietojumiem kvantu tehnoloģijās, klasiskajā informācijas apstrādē un biomedicīnā," sacīja prof. Vučkovičs.
