Группа исследователей под руководством Елены Вучкович, профессора электротехники в Стэнфордском университете, впервые внедрила лазер на титановом камне (Ti:сапфир) в чип (который можно накачивать с помощью зеленой лазерной указки). По сравнению с любым другим лазером для драгоценных камней на титане, доступным в настоящее время, этот прототип на четыре порядка меньше (т. е. на одну десятитысячную от оригинала) и на три порядка ниже по стоимости (т. е. на одну тысячную от оригинала).
Лазеры на титановых камнях, благодаря своей широкой полосе усиления и сверхбыстрому импульсному выходу, незаменимы в таких областях, как передовая квантовая оптика, спектроскопия и нейробиология. Однако их большой размер и высокая цена (сотни тысяч долларов за штуку), а также необходимость в мощных устройствах (каждое из которых стоит около 30 долларов США000) для их накачки, ограничивают их широкое использование.
«В Стэнфордской лаборатории нано- и квантовой фотоники мы провели несколько квантовых экспериментов, основанных на твердотельных спиновых квантовых битах в таких материалах, как алмаз и карбид кремния. Этот эксперимент в значительной степени опирается на коммерческие лазеры на драгоценных камнях из титана». Объясняет Джошуа Янг, аспирант из команды Вучковича.
Титановые лазеры для драгоценных камней не только дороги, но и сложны и часто требуют регулярного технического обслуживания для обеспечения хорошей работы. Проф. Исследовательская группа Вучковича проводит большое количество экспериментов, для которых у лазеров на драгоценных камнях из титана не хватает машинного времени, и поэтому им приходится совместно использовать оборудование и управлять графиком экспериментов. Кроме того, поскольку мощность, необходимая для экспериментов, намного ниже выходной мощности коммерческих лазеров на драгоценных камнях из титана, выходную мощность лазера можно ослабить лишь на несколько порядков, что приводит к потере значительной части мощности лазера.
Ян сказал: «Титано-сапфировые лазеры размером с чип, благодаря своей низкой стоимости, компактности и стабильности, могут заменить коммерческие лазерные системы на титановых камнях, которые в настоящее время используются для наших точных экспериментов».
Рисунок 1: Мелкоразмерный лазер для драгоценных камней на титане, разработанный исследовательской группой профессора Елены Вучкович. Лазер опирается по диагонали на титановый драгоценный камень, оба опираются на четверть.
Продуманная лазерная конструкция
Чип-лазер, разработанный командой, состоит из двух основных частей: волновода и кольцевого резонатора.
Слой титановых драгоценных камней помещается на подложку из диоксида кремния (SiO2), которая затем помещается на кристалл сапфира. Слой титанового драгоценного камня шлифуется, травится и полируется до толщины всего в несколько сотен нанометров. Затем на него был нанесен волновод, который действует как вихрь из крошечных гребней, направляющих свет, когда он проходит через него.
Для нагрева волновода используется миниатюрный нагреватель, который изменяет показатель преломления волновода и скорость, с которой свет проходит через волновод, так что выходную длину волны можно регулировать в диапазоне длин волн, от красного до инфракрасного (в настоящее время регулируется). до 60 нм).
«Спиральный волновод эквивалентен усилителю лазера, и мощность увеличивается по мере прохождения лазера». Ян объясняет: «Кольцевой резонатор действует как фильтр для модуляции длины волны лазера с помощью микронагревателей и как резонансная полость для лазера, действуя как путь рециркуляции лазерного излучения».
Рисунок 2: Оптическое изображение волноводного усилителя из титанового драгоценного камня размером 0,5 мм x 0,5 мм.
Проблемы, связанные с лазерами на титановых камнях размером с микросхему
Самая большая трудность с лазерами на титановых камнях заключается в том, что для их работы требуется высокоинтенсивная накачка. Реализуя лазерную технологию титановых драгоценных камней с помощью высокоточного волновода, исследовательская группа совершила два важных прорыва:
Во-первых, поскольку интенсивность накачки представляет собой мощность, деленную на площадь, использование оптических волноводов из драгоценных титановых камней значительно уменьшает площадь накачки. «Это означает, что для достижения интенсивности откачки, аналогичной интенсивности коммерческих систем для драгоценных камней из титана, требуется лишь меньшая мощность (примерно в 1000 раз меньше)». Ян объясняет: «Таким образом, даже дешевый полупроводниковый лазер зеленого света достаточно мощный, чтобы накачивать этот лазер размером с чип».
Во-вторых, в чип интегрирован лазер для драгоценных камней из титана. «Сапфировый лазер размером с чип (без большего количества движущихся частей) обладает миниатюрностью, масштабируемостью и долговечностью, не имеющими себе равных среди коммерческих лазеров для крупномасштабного производства полупроводников на уровне пластин». Ян добавил.
Для Янга изюминкой этой работы является использование миниатюрного лазера на титановых камнях для квантовых экспериментов. Он сказал: «Было большим сюрпризом увидеть это крошечное устройство, заменившее громоздкую коммерческую лазерную систему в сложном эксперименте по квантовой электродинамике (КЭД) с резонатором. Потому что лазеры размером с кристалл, которые мы разработали, действительно исключительны».
Одной из проблем, которую пришлось преодолеть исследовательской группе Вучковича, чтобы сделать лазер на драгоценных камнях из титана действительно пригодным для использования в квантовых экспериментах, была оптимизация связи источника накачки. «Для экспериментов лазер накачивается по пути света в свободном пространстве», — говорит Янг, — «но с помощью технологии фотонной упаковки можно интегрировать полупроводниковый лазер зеленого света, который служит источником накачки для мелкоразмерного титанового драгоценного камня. Лазер Оптимизируя соединение упаковочной системы и источника накачки, можно добиться более высокой мощности лазера, при этом лазер становится портативным и долговечным».
Возможные применения
Лазеры на титановых камнях размером с кристалл имеют широкий спектр применений: от квантовых технологий, таких как квантовые вычисления и атомные часы, до медицинских приложений, таких как оптическая когерентная томография и двухфотонная микроскопия.
«Надеюсь, эта технология созреет и будет использоваться в этих областях в ближайшие несколько лет», — сказал Ян. После окончания учебы этим летом он будет работать в Brightlight Photonics, компании, которая будет способствовать коммерциализации лазеров на титановых камнях размером с микросхему.
В настоящее время Елена Вучкович и ее исследовательская группа работают над перестраиваемым титановым лазером с синхронизацией мод.
Импульсные лазеры «откроют новые возможности для применения лазеров в квантовых технологиях, классической обработке информации и биомедицине», — сказал профессор Вучкович.
