Екип от изследователи, ръководен от Йелена Вукович, професор по електроинженерство в Станфордския университет, е пионер в интегрирането на лазер от титанов скъпоценен камък (Ti: сапфир) върху чип (който може да се изпомпва със зелена лазерна показалка). В сравнение с всеки друг наличен в момента лазер за титанов скъпоценен камък, този прототип е с четири порядъка по-малък (т.е. една десет хилядна от оригинала) и с три порядъка по-ниска цена (т.е. една хилядна от оригинала).
Лазерите със скъпоценни камъни от титан, поради тяхната висока честотна лента и ултрабърз импулсен изход, са незаменими в области като авангардна квантова оптика, спектроскопия и невронауки. Големият им размер и висока цена (стотици хиляди долари всеки), както и нуждата от мощни устройства (всяко от които се продава за около $30, 000) за изпомпване обаче, ограничиха широкото им използване.
„В Лабораторията на Станфорд за нано и квантова фотоника проведохме няколко квантови експеримента, базирани на спинови квантови битове в твърдо състояние в материали като диамант и силициев карбид. Този експеримент разчита до голяма степен на търговски лазери с титанов скъпоценен камък.“ Джошуа Янг, докторант в екипа на Вукович, обяснява.
Освен че са скъпи, лазерите за скъпоценни камъни от титан са сложни и често изискват редовна поддръжка, за да работят добре.Проф. Изследователският екип на Вукович провежда голям брой експерименти, за които лазерите с титанов скъпоценен камък нямат достатъчно машинно време и следователно трябва да споделят оборудването и да управляват експерименталния график. В допълнение, тъй като мощността, необходима за експериментите, е много по-ниска от изходната мощност на търговските лазери за титанов скъпоценен камък, лазерният изход може да бъде намален само с няколко порядъка, което води до загуба на голяма част от мощността на лазера.
Янг каза: „Титаниево-сапфирените лазери с размер на чип, поради тяхната ниска цена, компактност и стабилност, могат да заменят комерсиалните лазерни системи с титанов скъпоценен камък, използвани в момента за нашите прецизни експерименти.“
Фигура 1: Лазерът за титанов скъпоценен камък с размер на чип, разработен от изследователския екип на проф. Йелена Вукович. Лазерът лежи диагонално върху титанов скъпоценен камък, като и двата лежат на една четвърт.
Интелигентен лазерен дизайн
Лазерът с мащаб на чип, разработен от екипа, се състои от две основни части: вълновод и пръстеновиден резонатор.
Слой от титанови скъпоценни камъни се поставя върху субстрат от силициев диоксид (SiO2), който след това се поставя върху сапфирен кристал. Слоят от титанов скъпоценен камък е шлифован, гравиран и полиран до дебелина само няколкостотин нанометра. След това е моделиран с вълновод, който действа като вихър от малки хребети, които насочват светлината, докато преминава през него.
Миниатюрен нагревател се използва за нагряване на вълновода, който променя индекса на пречупване на вълновода и скоростта, с която светлината се движи през вълновода, така че изходната дължина на вълната да може да се регулира в диапазон от дължини на вълната, от червено до инфрачервено (в момента регулируема до 60 nm).
„Спираловидният вълновод е еквивалентен на усилвател за лазера и мощността се увеличава, когато лазерът преминава през него.“ Янг обяснява: „Пръстеновият резонатор действа както като филтър за модулиране на дължината на вълната на лазера чрез микронагреватели, така и като резонансна кухина за лазера – действайки като рециркулационен път за лазерното предаване.“
Фигура 2: Оптично изображение на вълноводен усилвател от титанов скъпоценен камък с размери 0.5 mm x 0.5 mm.
Предизвикателства за лазерите за титанов скъпоценен камък с мащаб на чип
Най-голямата трудност с лазерите с титанов скъпоценен камък е, че те изискват високоинтензивно изпомпване, за да работят. Чрез реализирането на лазерна технология за титанов скъпоценен камък чрез високопрецизен вълновод, изследователският екип постигна два важни пробива:
Първо, тъй като интензитетът на изпомпване е мощност, разделена на площ, използването на оптични вълноводи от титанови скъпоценни камъни значително намалява площта на изпомпване. „Това означава, че е необходима само по-малко мощност (около 1000 пъти по-малко), за да се постигне интензивност на изпомпване, подобна на тази на търговските системи от титанови скъпоценни камъни.“ Янг обяснява: „Така че дори един евтин полупроводников лазер със зелена светлина е достатъчно мощен, за да изпомпва този лазер с мащаб на чип.“
Второ, лазерът с титанов скъпоценен камък е интегриран в чипа. „Сапфиреният лазер с мащаб на чип (без повече движещи се части) има миниатюризация, мащабируемост и издръжливост, несравними с търговските лазери за широкомащабно производство на полупроводници на ниво пластина.“ добави Янг.
За Янг, акцентът в тази работа е използването на този лазер за титаниев скъпоценен камък с размер на чип за квантови експерименти. Той каза: „Беше голяма изненада да видя това малко устройство да заменя обемиста комерсиална лазерна система в експеримент с квантова електродинамика на сложна кухина (QED). Тъй като лазерите с мащаб на чип, които разработихме, са наистина изключителни.“
Едно от предизвикателствата, които изследователският екип на Вукович трябваше да преодолее, за да направи лазера за титанов скъпоценен камък с размер на чип наистина използваем за квантови експерименти, беше оптимизирането на свързването на източника на помпа. „За експерименти лазерът се изпомпва през светлинен път в свободно пространство“, казва Янг, „но с технологията за фотонно опаковане е възможно да се интегрира полупроводников лазер със зелена светлина, който служи като източник на помпа за титановия скъпоценен камък с размер на чип Чрез оптимизиране на свързването на опаковъчната система и източника на помпа може да се постигне по-висока мощност на лазера и лазерът е едновременно преносим и издръжлив."
Потенциални приложения
Лазерите с титанов скъпоценен камък в мащаб имат широк спектър от приложения, от квантови технологии като квантово изчисление и атомни часовници до медицински приложения като оптична кохерентна томография и двуфотонна микроскопия.
„Надяваме се, че тази технология ще узрее и ще бъде използвана в тези области през следващите няколко години“, каза Янг. След като се дипломира това лято, той ще работи за Brightlight Photonics, компания, която ще работи за улесняване на комерсиализацията на лазери за титанови скъпоценни камъни с мащаб на чип.
В момента Йелена Вукович и нейният изследователски екип работят върху регулируем титанов лазер със заключен режим на чип.
Импулсните лазери "ще отворят нови възможности за лазерни приложения в квантовата технология, класическата обработка на информация и биомедицината", каза проф. Вучкович.
