UC Santa Barbaran tutkijat ovat kehittäneet kompakti, edullisen laserin, joka kilpailee laboratoriojärjestelmien suorituskykyä. Se käyttää Rubidium-atomeja ja edistyneitä siru-integrointitekniikoita sovellusten, kuten kvanttilaskennan, ajankäytön ja ympäristön tunnistuksen, mahdollistamiseksi, mukaan lukien satelliittipohjainen painovoimakartoitus.
Laserit ovat välttämättömiä kokeisiin, jotka vaativat erittäin varmuutta atomien mittausta ja kontrollia, kuten kaksifotoniatomialot, kylmäatomi-interferometrin anturit ja kvanttiportit. Avain laserien tehokkuuteen on niiden spektrin puhtaus, joka on vain yhden värin tai taajuuden valon säteily. Nykyään näihin sovelluksiin vaadittava erittäin matala-kohinan, vakaan valon saavuttaminen riippuu suurista ja kalliista penkki-laserjärjestelmistä, jotka on suunniteltu tuottamaan ja hallitsemaan fotoneja kapealla spektrialueella.
Mutta entä jos nämä atomisovellukset voisivat paeta laboratorion ja penkin rajoista? Tämä on visio, joka ajaa tutkimusta UC Santa Barbaran tekniikan professorin Daniel Blumenthalin laboratoriossa, jossa hänen tiiminsä pyrkii toistamaan näiden korkean tarkkuuden laserien suorituskyvyn kevyissä, kämmenlaitteissa.
"Nämä pienet laserit mahdollistavat skaalautuvat laserratkaisut käytännöllisille kvanttijärjestelmille sekä lasereille kannettaville, kenttävalmistettuille ja avaruuspohjaisille kvantianturille", sanoi Blumenthalin laboratorion tutkija Andrei Isichenko. "Tällä on vaikutuksia teknologia-alueisiin, kuten kvanttilaskenta neutraaleihin atomeihin ja loukkuun jääneisiin ioneihin, samoin kuin kylmäatomi-kvantianturit, kuten atomiskellot ja gaavit."
Lehdessä Scientific Reports -lehdessä julkaistussa lehdessä Blumenthal, Isichenko ja heidän tiiminsä kuvaavat siru-asteikon erittäin pienen linjanleveyden itsehallinto-lukitun 780- nanometrin laserin kehittämistä tähän suuntaan. Tutkijoiden mukaan laite, joka on suunnilleen tulitikkulaatikon kokoinen, voi ylittää nykyisen kapean linjanleveyden 780- NM-laserit murto-osalla valmistuskustannuksista ja tilasta.
Rubidium-atomit valittiin laserille, koska niillä on tunnettuja ominaisuuksia, jotka tekevät niistä ihanteellisia erilaisiin tarkkaan sovelluksiin. Heidän D2 -optisen siirtymisen vakaus tekee niistä ihanteellisia atomikelloille; Atomien herkkyys tekee niistä myös suositun valinnan antureille ja kylmäatomifysiikalle. Läheisen infrapuna-laser, joka toimii atomi-atomissiirtymän ominaisuudet.
"Käytät atomien siirtymälinjaa laserin vangitsemiseen", sanoo lehden vanhempi kirjailija Blumenthal. "Toisin sanoen, lukitsemalla laserin atomien siirtymälinjaan, laser ottaa enemmän tai vähemmän atomisiirtymän ominaisuudet vakauden suhteen."
Mutta Fancy Red Light ei tee tarkkuuslaserista. Laservalon ihanteellisen laadun saamiseksi "melu" on poistettava. Blumenthal kuvaa sitä virityshaarukana verrattuna kitarajonoon. "Jos lyöt C: n virityshaarukkaa, se voi olla erittäin täydellinen C", hän selittää. "Mutta jos osut kitaralle C: n, voit kuulla siinä muita ääniä." Samoin laservalo voi sisältää erilaisia taajuuksia (värejä), luomalla ylimääräisiä "ääniä". Vaaditun yhden taajuuden tuottamiseksi (tässä tapauksessa puhdas syvän punainen valo) järjestelmä käyttää lisäkomponentteja laservalon tasoittamiseen edelleen. Tutkijoiden haasteena oli pakata kaikki tämä toiminnallisuus ja suorituskyky yhdelle sirulle.
"Ryhmä käytti yhdistelmää kaupallisesti saatavissa olevia Fabry-Perot-laser-diodeja, maailman alhaisimman tappio-aaltojohtoja (Blumenthalin laboratorion tekemä) ja korkeimman laadun tekijäresonaattorit, jotka kaikki valmistettiin piinitride-alustalle. Näin tehdessään he olivat Pystyy toistaa tilaa vievien penkkijärjestelmien suorituskykyä -- niiden testien mukaan heidän laitteensa ylittivät joitain penkkilasereita, samoin kuin aiemmin ilmoitettuja integroituja lasereita, neljällä suuruusluokalla keskeisissä mittareissa, kuten taajuusmelu ja linjan leveys.
"Matalan linjanleveysarvojen merkitys on, että voimme saavuttaa kompaktit laserit uhraamatta lasersuorituskykyä", Isichenko selitti. "Suorituskykyä parannetaan tietyllä tavalla verrattuna tavanomaisiin lasereihin, koska saavutettu koko siru-asteikon integraatio on. Nämä linjan leveydet auttavat meitä paremmin vuorovaikutuksessa atomijärjestelmän kanssa, poistamalla lasermelun vaikutuksen ja siten ratkaisemalla atomisignaalit kokonaan kokonaan sisään Vastaus ympäristöön, jota he aistiaan jne. "
Tämän projektin alhaiset linjan leveydet ovat ennätyksellisen alhaisten ala- ja sub-kilohertsin integroidut linjan leveydet osoittaen lasertekniikan vakauden ja kyvyn voittaa melua sekä ulkoisista että sisäisistä lähteistä.
Muihin tekniikan etuihin kuuluvat kustannus-se käyttää 50 dollaria diodeja, ja se on valmistettu käyttämällä kustannustehokasta ja skaalautuvaa valmistusprosessia, joka on rakennettu käyttämällä CMOS-yhteensopivia kiekko-asteikkojen prosesseja, jotka ovat lainaa elektronisen siruvalmistuksen maailmasta. Tämän tekniikan menestys tarkoittaa, että nämä korkean suorituskyvyn, korkean tarkkaan, edullisen fotonisen integroidun laserit voitaisiin ottaa käyttöön monissa asetuksissa sekä laboratorion sisällä että sen ulkopuolella, mukaan lukien kvantikokeet, atomien ajoitus ja heikoimpien signaalien havaitseminen, kuten muutokset gravitaatiokiihtyvyydessä maan ympärillä.
"Voit laittaa nämä instrumentit satelliitteihin ja kartoittaa painovoimaa maapallon ympärille ja sen ympärille jollain tarkkuudella", Blumenthal sanoi. "Voisit tuntea maapallon ympärillä olevan painovoimakentän mittaamaan merenpinnan nousua, merijään muutoksia ja maanjäristyksiä." Hän lisäsi: "Tämä tekniikka on kompakti, pieniteho ja kevyt, joten se on ihanteellinen avaruuteen käyttöönottoon."
