Pārskats Kopš 1960. gadiem lāzeri ir radījuši apvērsumu pasaulē, un tagad tie ir neaizstājams rīks mūsdienu lietojumos, sākot no vismodernākajām ķirurģijas un precīzās ražošanas līdz optiskās šķiedras datu pārraidei. Tomēr, pieaugot pieprasījumam pēc lāzera lietojumiem, rodas arī izaicinājumi. Piemēram, šķiedru lāzeru tirgus paplašinās, un pašlaik tos galvenokārt izmanto rūpnieciskās griešanas, metināšanas un marķēšanas lietojumos. Šķiedru lāzeri izmanto optiskās šķiedras, kas leģētas ar retzemju elementiem (erbijs, iterbijs, neodīms utt.) kā optisko pastiprinājuma vidi. Šķiedru lāzeri rada augstas kvalitātes starus, lielu izejas jaudu, augstu efektivitāti, zemas uzturēšanas izmaksas un izturību, un parasti tie ir mazāki nekā gāzes lāzeri. Šķiedru lāzeri ir arī "zelta standarts" zemas fāzes trokšņiem, kas nozīmē, ka to stari var palikt stabili ilgu laiku. Neskatoties uz to, pieaug pieprasījums pēc mikroshēmas mēroga šķiedru lāzeru miniaturizācijas. Uz erbija balstīti šķiedru lāzeri ir īpaši interesanti, jo tie atbilst visām prasībām, lai uzturētu augstu lāzera koherenci un stabilitāti. Tomēr, kā saglabāt šķiedru lāzeru veiktspēju nelielā mērogā, vienmēr ir bijis izaicinājums miniaturizēt šķiedru lāzerus.
Tagad zinātnieku komanda doktora Janga Liu un profesora Tobiasa Kipenberga vadībā EPFL ir izveidojusi pirmo mikroshēmā integrētu ar erbiju leģētu viļņvada lāzeru, kas tuvojas šķiedru lāzeru veiktspējai, vienlaikus apvienojot plaša viļņa garuma regulējamību ar mikroshēmas mēroga fotonikas praktiskumu. integrācija. Pētījums tika publicēts Nature Photonics.
Pilnībā iepakota hibrīda integrēta erbija lāzera attēls, kura pamatā ir silīcija nitrīda fotoniski integrēta mikroshēma, kas nodrošina šķiedru lāzera koherenci un iepriekš nesasniedzamu frekvences regulējamību. Avots: Andrea Bancora un Yang Liu (EPFL).
Mikroshēmas lāzera izgatavošana
Pētnieki izstrādāja mikroshēmas mēroga erbija lāzeru, izmantojot vismodernākos ražošanas procesus. Viņi vispirms izveidoja vienu metru garu mikroshēmas optisko dobumu (spoguļu komplektu, kas nodrošina optisku atgriezenisko saiti) uz īpaši zemu zudumu silīcija nitrīda fotoniskās integrētās mikroshēmas. "Neskatoties uz mikroshēmas nelielo izmēru, mēs varējām izveidot lāzera dobumu vienu metru garu, pateicoties šo mikro caurumu rezonatoru integrācijai, kas efektīvi pagarina optisko ceļu, fiziski nepalielinot ierīci," sacīja Dr. Jans Liu. Pēc tam komanda mikroshēmā implantēja augstu erbija jonu koncentrāciju, lai selektīvi ražotu aktīvo pastiprināšanas vidi, kas nepieciešama lāzera noteikšanai. Visbeidzot, viņi integrēja ķēdi ar III-V pusvadītāju sūkņa lāzeru, lai ierosinātu erbija jonus, liekot tiem izstarot gaismu un radīt lāzera staru.
1. attēls. Hibrīdā integrētais Er:Si3N4 lāzers. Avots: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., "Pilnībā hibrīds integrēts erbija bāzes lāzers", Nature Photonics (2024). Lai uzlabotu lāzera veiktspēju un nodrošinātu precīzu viļņa garuma kontroli, pētnieki izstrādāja novatorisku intracavity dizainu, izmantojot uz mikroporu balstītu Vernjē filtru, optisko filtru, kas spēj atlasīt noteiktas gaismas frekvences. Šis filtrs var dinamiski pielāgot lāzera viļņa garumu plašā diapazonā, padarot to daudzpusīgu un piemērotu dažādiem lietojumiem. Šis dizains atbalsta stabilus viena režīma lāzerus ar raksturīgo līnijas platumu tikai 50 Hz.
Tam ir arī ievērojama sānu režīma slāpēšana - lāzers spēj izstarot gaismu vienā, stabilā frekvencē, vienlaikus samazinot citu frekvenču intensitāti ("sānu režīmi"). Tas nodrošina "tīru" un stabilu izvadi visā spektra diapazonā augstas precizitātes lietojumiem.
2. attēls: integrēts hibrīds Er:Si3N4vernier lāzers, kas darbojas viena režīma lāzera režīmā. Avots: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., "Pilnībā hibrīds integrēts erbija bāzes lāzers", Nature Photonics (2024). Jauda, precizitāte, stabilitāte un zems trokšņa līmenis Mikroshēmas mēroga erbija šķiedru lāzera izejas jauda ir lielāka par 10 mW un sānu režīma slāpēšanas koeficients ir lielāks par 70 dB, kas ir labāks nekā daudzām tradicionālajām sistēmām. Tam ir arī ļoti šaurs līnijas platums, kas nozīmē, ka tā izstarotā gaisma ir ļoti tīra un stabila, kas ir svarīgi saskaņotiem lietojumiem, piemēram, sensoriem, žiroskopiem, lidariem un optiskās frekvences metroloģijai. Uz mikrocaurumiem balstītais Vernjē filtrs nodrošina lāzera plašu viļņa garuma noskaņojamību 40 nm C joslā un L joslā (viļņu garuma diapazons, ko izmanto telekomunikācijām), pārspējot parastos šķiedru lāzerus regulēšanā un zemu spektrālo stimulu ("spurs" ir nevēlamas frekvences). ), vienlaikus saglabājot savietojamību ar pašreizējiem pusvadītāju ražošanas procesiem.
3. attēls. Lāzera viļņa garuma platjoslas regulēšanas demonstrācija. Avots: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji u.c., "Pilnībā hibrīds integrēts erbija bāzes lāzers", Nature Photonics (2024). Nākamās paaudzes lāzeri
Erbija šķiedru lāzeru miniaturēšana un integrēšana mikroshēmu mēroga ierīcēs varētu samazināt to kopējās izmaksas, padarot tos noderīgus pārnēsājamām, ļoti integrētām sistēmām telekomunikācijās, medicīniskajā diagnostikā un plaša patēriņa elektronikā.
4. attēls. Pilnībā hibrīda integrētā lāzera trokšņa raksturojums un EDWL. Avots: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al, "Pilnībā hibrīds integrēts erbija lāzers", Nature Photonics (2024). Tas varētu arī samazināt optisko tehnoloģiju dažādām citām lietojumprogrammām, piemēram, LIDAR, mikroviļņu fotonikai, optiskās frekvences sintēzei un brīvas telpas sakariem. saka Dr Yang Liu: "Šī jaunā ar erbiju leģētā integrētā lāzera pielietojuma jomas ir praktiski neierobežotas."
