UC Santa Barbara pētnieki ir izstrādājuši kompaktu, lētu lāzeru, kas konkurē ar laboratorijas mēroga sistēmu veiktspēju. Tas izmanto Rubidium atomus un uzlabotas mikroshēmu integrācijas metodes, lai iespējotu tādas lietojumprogrammas kā kvantu skaitļošana, laika uzskaite un vides noteikšana, ieskaitot satelītu balstītu gravitācijas kartēšanu.
Lāzeri ir neaizstājami eksperimentiem, kuriem nepieciešami īpaši precīzi atomu mērījumi un kontrole, piemēram, divu fotonu atomu pulksteņi, auksto atomu interferometra sensori un kvantu vārti. Lāzeru efektivitātes atslēga ir to spektrālā tīrība, kas ir tikai vienas krāsas vai frekvences gaismas emisija. Mūsdienās, lai sasniegtu īpaši zemu trokšņu, stabilu gaismu, kas nepieciešama šīm lietojumprogrammām, ir atkarīga no apjomīgām un dārgām benchtop lāzera sistēmām, kas paredzētas fotonu ģenerēšanai un pārvaldībai šaurā spektrālā diapazonā.
Bet ko tad, ja šīs atomu lietojumprogrammas varētu izvairīties no laboratorijas un stenda robežas? Šis ir redzes virzīšanas pētījums Daniela Blumenthala, UC Santa Barbaras inženierzinātņu profesora laboratorijā, kur viņa komanda strādā, lai atkārtotu šo augstas precizitātes lāzeru veiktspēju vieglās, rokas ierīcēs.
"Šie mazie lāzeri nodrošinās mērogojamus lāzera risinājumus praktiskām kvantu sistēmām, kā arī lāzeriem pārnēsājamiem, lauka izvietotiem un kosmosā balstītiem kvantu sensoriem," sacīja Blumenthal laboratorijas absolvents pētnieks Andrejs Isichenko. "Tam būs ietekme uz tehnoloģiju apgabaliem, piemēram, kvantu skaitļošanu, izmantojot neitrālus atomus un ieslodzītos jonus, kā arī aukstuma atomu kvantu sensorus, piemēram, atomu pulksteņus un gravimetrus."
Rakstā, kas publicēts žurnālā Scientific Reports, Blumenthal, Isichenko un viņu komanda apraksta mikroshēmas ultravarna zema līnijas platuma pašinjekcijas bloķēšanas 780- nanometru lāzera attīstību šajā virzienā. Pētnieki saka, ka ierīce, kas ir aptuveni sērkociņa kastes lielums, var pārspēt pašreizējo šaurās līnijas platumu 780- nm lāzerus par daļu no ražošanas izmaksām un telpām.
Rubidija atomiem tika izvēlēti lāzeram, jo tiem ir plaši pazīstamas īpašības, kas padara tos ideālus dažādiem augstas precizitātes lietojumiem. Viņu D2 optiskās pārejas stabilitāte padara tos ideālus atomu pulksteņiem; Atomu jutība arī padara tos par populāru izvēli sensoriem un aukstuma atomu fizikai. Nododot lāzeru caur rubidija atomu tvaiku, kas kalpo kā atomu atsauce, tuvās infrasarkanais lāzers iegūst stabilas atomu pārejas īpašības.
"Jūs izmantojat atomu pārejas līniju, lai notvertu lāzeru," saka Blumenthal, papīra vecākais autors. "Citiem vārdiem sakot, bloķējot lāzeru uz atomu pārejas līniju, lāzers vairāk vai mazāk uzņemas šīs atoma pārejas īpašības stabilitātes ziņā."
Bet iedomātā sarkanā gaisma nepadara precīzu lāzeru. Lai iegūtu ideālu lāzera gaismas kvalitāti, ir jānoņem "troksnis". Blumenthal to raksturo kā noregulēšanas dakšiņu pret ģitāras auklu. "Ja jūs trāpīsit C ar skaņošanas dakšiņu, tas varētu būt ļoti ideāls C," viņš skaidro. "Bet, ja jūs trāpīsit C ģitārai, tajā varat dzirdēt citus toņus." Līdzīgi lāzera gaismā var būt dažādas frekvences (krāsas), veidojot papildu "toņus". Lai radītu nepieciešamo vienu frekvenci (šajā gadījumā, tīra dziļi sarkanā gaismā), sistēma izmanto papildu komponentus, lai vēl vairāk izlīdzinātu lāzera gaismu. Pētnieku izaicinājums bija visu šo funkcionalitāti un veiktspēju iesaiņot vienā mikroshēmā.
"The team used a combination of commercially available Fabry-Perot laser diodes, the world's lowest-loss waveguides (made by Blumenthal's lab), and the highest-quality factor resonators, all fabricated on a silicon nitride platform. In doing so, they were Iespējot atkārtot apjomīgu benchtop sistēmu veiktspēju -- saskaņā ar viņu testiem, to ierīce pārspēja dažus benchtop lāzerus, kā arī iepriekš ziņotos integrētos lāzerus ar četrām lieluma kārtām galvenajā metrikā, piemēram, frekvences troksnī un līnijas platumā.
"Zemas līnijas platuma vērtību nozīme ir tā, ka mēs varam sasniegt kompaktus lāzerus, neupurējot lāzera veiktspēju," skaidroja Isichenko. "Dažos veidos veiktspēja tiek uzlabota, salīdzinot ar parastajiem lāzeriem, jo ir panākta pilnīgas mikroshēmas mēroga integrācijas dēļ. Šie līnijas platumi mums palīdz labāk mijiedarboties ar atomu sistēmu, novēršot lāzera trokšņa ieguldījumu un tādējādi pilnībā izšķirot atomu signālus. reakcija uz vidi, kuru viņi izjūt utt. "
Zemais līnijas platums šim projektam ir ierakstu zemi Hertz fundamentāli un sub-Kilohertz integrēti līnijas platumi, parādot lāzera tehnoloģijas stabilitāti un spēju pārvarēt troksni gan no ārējiem, gan iekšējiem avotiem.
Citas tehnoloģijas priekšrocības ir izmaksu un to izmantošana 50 USD diodes, un tā ir izgatavota, izmantojot rentablu un mērogojamu ražošanas procesu, kas veidots, izmantojot CMOS saderīgus vafeļu mēroga procesus, aizņemoties no elektroniskās mikroshēmas ražošanas pasaules pasaules. Šīs tehnoloģijas panākumi nozīmē, ka šos augstas veiktspējas, augstas precizitātes, lētu fotoniskos integrētos lāzerus varētu izvietot dažādos iestatījumos gan laboratorijā, gan ārpus tā, ieskaitot kvantu eksperimentus, atomu laiku un uztver vājākos signālus, piemēram, izmaiņas gravitācijas paātrinājumā ap zemi.
"Jūs varētu ievietot šos instrumentus uz satelītiem un ar nelielu precizitāti karot gravitāciju zemē un ap to," sacīja Blumenthal. "Jūs varētu izjust gravitācijas lauku ap Zemi, lai izmērītu jūras līmeņa celšanos, izmaiņas jūras ledus un zemestrīces." Viņš piebilda: "Šī tehnoloģija ir kompakta, mazjaudas un viegla, padarot to ideālu izvietošanai kosmosā."
