Yleiskatsaus Laserit ovat mullistaneet maailman 1960-luvulta lähtien, ja ne ovat nyt korvaamaton työkalu nykyaikaisissa sovelluksissa huippuluokan kirurgiasta ja tarkkuusvalmistuksesta kuituoptiseen tiedonsiirtoon. Lasersovellusten kysynnän kasvaessa myös haasteita syntyy. Esimerkiksi kuitulaserien markkinat ovat laajentumassa, ja niitä käytetään tällä hetkellä pääasiassa teollisissa leikkaus-, hitsaus- ja merkintäsovelluksissa. Kuitulaserit käyttävät valokuituja, jotka on seostettu harvinaisilla maametallielementeillä (erbium, ytterbium, neodyymi jne.) optisena vahvistuksena. Kuitulaserit tuottavat korkealaatuisia säteitä, suuren lähtötehon, korkean hyötysuhteen, alhaiset ylläpitokustannukset ja kestävyyden, ja ne ovat yleensä pienempiä kuin kaasulaserit. Kuitulaserit ovat myös "kultastandardi" matalavaihekohinalle, mikä tarkoittaa, että niiden säteet voivat pysyä vakaina pitkään. Tästä huolimatta sirumittakaavaisten kuitulaserien miniatyrisoinnin kysyntä on kasvava. Erbiumpohjaiset kuitulaserit ovat erityisen kiinnostavia, koska ne täyttävät kaikki laserin korkean koherenssin ja stabiilisuuden säilyttämisen vaatimukset. Kuitulaserien suorituskyvyn ylläpitäminen pienessä mittakaavassa on kuitenkin aina ollut haaste kuitulaserien pienentämisessä.
Nyt tohtori Yang Liun ja professori Tobias Kippenbergin johtama tutkijaryhmä EPFL:stä on luonut ensimmäisen siruun integroidun erbium-seostetun aaltoputkilaserin, joka lähestyy kuitulaserien suorituskykyä ja yhdistää laajan aallonpituuden viritettävyyden sirumittakaavan fotoniikan käytännöllisyyteen. liittäminen. Tutkimus julkaistiin Nature Photonicsissa.
Kuva täysin pakatusta integroidusta hybridi-erbiumlaserista, joka perustuu piinitridi-fotoniin integroituun siruun, joka tarjoaa kuitulaserkoherenssin ja aiemmin saavuttamattoman taajuuden virittävyyden. Lähde: Andrea Bancora ja Yang Liu (EPFL).
Sirumittakaavan laserin valmistus
Tutkijat kehittivät sirumittakaavan erbiumlaserin käyttämällä huippuluokan valmistusprosesseja. He rakensivat ensin yhden metrin pituisen optisen ontelon (optista palautetta antavia peilejä) erittäin pienihäviöiselle piinitridifotoniiselle integroidulle sirulle. "Sirun pienestä koosta huolimatta pystyimme suunnittelemaan laserontelon yhden metrin pituiseksi näiden mikroreikäresonaattoreiden integroinnin ansiosta, jotka laajentavat tehokkaasti optista polkua fyysisesti suurentamatta laitetta", sanoi Dr. Yang Liu. Tämän jälkeen ryhmä istutti siruun suuren pitoisuuden erbium-ioneja tuottaakseen valikoivasti laserointiin tarvittavaa aktiivista vahvistusväliainetta. Lopuksi he integroivat piirin III-V-puolijohdepumppulaserin kanssa erbium-ionien virittämiseksi, jolloin ne säteilevät valoa ja tuottavat lasersäteen.
Kuva 1: Integroitu hybridi-Er:Si3N4-laser. Lähde: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., "Täysin hybridi integroitu erbiumpohjainen laser", Nature Photonics (2024). Laserin suorituskyvyn parantamiseksi ja tarkan aallonpituuden säätelyn mahdollistamiseksi tutkijat kehittivät innovatiivisen intrakaviteettimallin käyttämällä mikrohuokospohjaista Vernier-suodatinta, optista suodatinta, joka pystyy valitsemaan tietyt valotaajuudet. Tämä suodatin voi dynaamisesti säätää laserin aallonpituutta laajalla alueella, mikä tekee siitä monipuolisen ja sopivan erilaisiin sovelluksiin. Tämä rakenne tukee vakaita yksimuotolasereita, joiden luontainen viivanleveys on vain 50 Hz.
Siinä on myös merkittävä sivutilan vaimennus - laser pystyy lähettämään valoa yhdellä, vakaalla taajuudella minimoiden samalla muiden taajuuksien intensiteetin ("sivutilat"). Tämä varmistaa "puhtaan" ja vakaan lähdön koko spektrialueella erittäin tarkkoja sovelluksia varten.
Kuva 2: Integroitu hybridi-Er:Si3N4vernier-laser, joka toimii yksimuotolaserina. Lähde: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., "Täysin hybridiintegroitu erbiumpohjainen laser", Nature Photonics (2024). Teho, tarkkuus, vakaus ja alhainen kohina Sirumittakaavan erbiumkuitulaserin lähtöteho on yli 10 mW ja sivumoodin vaimennussuhde yli 70 dB, mikä on parempi kuin monet perinteiset järjestelmät. Sillä on myös erittäin kapea viivanleveys, mikä tarkoittaa, että sen lähettämä valo on erittäin puhdasta ja vakaata, mikä on tärkeää koherenteissa sovelluksissa, kuten anturissa, gyroskoopeissa, lidarissa ja optisessa taajuusmetrologiassa. Mikroreikäpohjainen Vernier-suodatin antaa laserille leveän 40 nm:n aallonpituuden viritettävyyden C- ja L-kaistalla (televiestinnässä käytetty aallonpituusalue), ohittaen tavanomaiset kuitulaserit virityksessä ja matalan spektrin viritykset ("spurs" ovat ei-toivottuja taajuuksia) ) samalla kun se on yhteensopiva nykyisten puolijohteiden valmistusprosessien kanssa.
Kuva 3: Laseraallonpituuden laajakaistavirityksen esittely. Lähde: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., "Täysin hybridiintegroitu erbiumpohjainen laser", Nature Photonics (2024). Seuraavan sukupolven laserit
Erbiumkuitulaserien pienentäminen ja integrointi sirumittakaavaisiin laitteisiin voisi alentaa niiden kokonaiskustannuksia, mikä tekee niistä hyödyllisiä kannettaviin, hyvin integroituihin tietoliikenteen, lääketieteellisen diagnostiikan ja kulutuselektroniikan järjestelmiin.
Kuva 4: Täysin hybridiintegroitu laserkohinan karakterisointi ja EDWL. Lähde: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al, "Täysin hybridiintegroitu erbiumpohjainen laser", Nature Photonics (2024). Se voisi myös pienentää optista tekniikkaa moniin muihin sovelluksiin, kuten LIDARiin, mikroaaltofotoniikkaan, optiseen taajuussynteesiin ja vapaan tilan viestintään. sanoo tohtori Yang Liu: "Tämän uuden erbium-seostetun integroidun laserin käyttöalueet ovat käytännössä rajattomat."
