Cercetătorii UC Santa Barbara au dezvoltat un laser compact, cu costuri reduse, care rivalizează cu performanța sistemelor la scară de laborator. Utilizează atomi de rubidium și tehnici avansate de integrare a cipurilor pentru a permite aplicații precum calculul cuantic, cronometrarea și detectarea mediului, inclusiv cartografierea gravitației bazate pe satelit.
Laserele sunt indispensabile pentru experimente care necesită măsurare și control atomic ultra-precis, cum ar fi ceasuri atomice cu două fotoni, senzori de interferometru cu atom rece și porți cuantice. Cheia eficacității laserelor este puritatea lor spectrală, care este emisia de lumină a unei singure culori sau a unei frecvențe. Astăzi, realizarea luminii ultra-scăzute, stabilă, necesară pentru aceste aplicații, se bazează pe sisteme laser benchtop voluminoase și scumpe, concepute pentru a genera și gestiona fotoni într-un interval spectral restrâns.
Dar dacă aceste aplicații atomice ar putea scăpa de limitele laboratorului și ale benchtopului? Aceasta este cercetarea de conducere a viziunii în laboratorul lui Daniel Blumenthal, profesor de inginerie la UC Santa Barbara, unde echipa sa lucrează pentru a reproduce performanța acestor lasere de înaltă precizie în dispozitive ușoare, de mână.
„Aceste mici lasere vor permite soluții laser scalabile pentru sisteme cuantice practice, precum și lasere pentru senzori cuantici portabili, desfășurați pe teren și bazat pe spațiu”, a spus Andrei Isichenko, un cercetător absolvent în laboratorul lui Blumenthal. "Acest lucru va avea implicații pentru zone tehnologice, cum ar fi calculul cuantic, folosind atomi neutri și ioni prinși, precum și senzori cuantici cu atom rece, cum ar fi ceasuri atomice și gravimetre."
Într-o lucrare publicată în revista Scientific Reports, Blumenthal, Isichenko și echipa lor descriu dezvoltarea unei lățimi de linie ultra-scăzută de auto-lățime de linie de cip 780- nanometru laser în această direcție. Cercetătorii spun că dispozitivul, care este aproximativ dimensiunea unei cutii de meci, poate depăși lățimea de linie îngustă curentă 780- nm lasere la o fracțiune din costul de fabricație și spațiu.
Atomii de rubidiu au fost aleși pentru laser, deoarece au proprietăți cunoscute care le fac ideale pentru o varietate de aplicații de înaltă precizie. Stabilitatea tranziției lor optice D2 le face ideale pentru ceasuri atomice; Sensibilitatea atomilor le face, de asemenea, o alegere populară pentru senzori și fizică atomică rece. Prin trecerea laserului printr-un vapor de atomi de rubidium care servesc ca referință atomică, laserul cu infraroșu aproape preia proprietățile unei tranziții atomice stabile.
„Folosești linia de tranziție atomică pentru a captura laserul”, spune Blumenthal, autorul principal al hârtiei. "Cu alte cuvinte, blocând laserul la linia de tranziție atomică, laserul preia mai mult sau mai puțin proprietățile acelei tranziții atomice în termeni de stabilitate."
Dar lumina roșie fantezistă nu creează un laser de precizie. Pentru a obține calitatea ideală a luminii laser, „zgomotul” trebuie eliminat. Blumenthal o descrie ca o furculiță de reglare față de un șir de chitară. „Dacă lovești un C cu o furculiță de reglare, s -ar putea să fie un C foarte perfect”, explică el. „Dar dacă lovești un C pe o chitară, poți auzi alte tonuri în ea”. În mod similar, lumina laser poate conține frecvențe (culori) diferite, creând „tonuri” suplimentare. Pentru a produce frecvența unică necesară (în acest caz, lumina roșie profundă pură), sistemul folosește componente suplimentare pentru a netezi și mai mult lumina laserului. Provocarea pentru cercetători a fost să împacheteze toată această funcționalitate și performanță pe un singur cip.
„Echipa a folosit o combinație de diode laser Fabry-Perot disponibile în comerț, ghidurile de undă cu cea mai mică pierdere din lume (realizate de laboratorul lui Blumenthal) și rezonatorii factori de cea mai înaltă calitate, toate fabricate pe o platformă de nitru de siliciu. capabil să reproducă performanța sistemelor de benchtop voluminoase -- în conformitate cu testele lor, dispozitivul lor a depășit unele lasere de benchtop, precum și lasere integrate raportate anterior, cu patru ordine de mărime în metrici cheie precum zgomotul de frecvență și lățimea de linie.
"Semnificația valorilor scăzute de lățime de linie este că putem realiza lasere compacte fără a sacrifica performanța laserului", a explicat Isichenko. „În unele moduri, performanța este îmbunătățită în comparație cu laserele convenționale din cauza integrării complete la scară cip care a fost obținută. Aceste lățimi de linie ne ajută să interacționăm mai bine cu sistemul atomic, eliminând contribuția zgomotului laser și, astfel, rezolvarea pe deplin a semnalelor atomice în Răspuns la mediul pe care îl simt etc. "
Lățimile de linie scăzute, pentru acest proiect, sunt sub-Hertz record sub-Hertz fundamental și sub-Kilohertz integrate lățimi de linie, care demonstrează stabilitatea și capacitatea tehnologiei laser de a depăși zgomotul atât din surse externe, cât și interne.
Alte avantaje ale tehnologiei includ Cost-IT folosește diode de 50 de dolari și este fabricat folosind un proces de fabricație rentabil și scalabil, care este construit folosind procese la scară de wafer compatibil cu CMOS, împrumutând din lumea fabricării de cipuri electronice. Succesul acestei tehnologii înseamnă că aceste lasere integrate fotonice cu costuri reduse, de înaltă precizie, cu costuri reduse, ar putea fi implementate într-o varietate de setări atât în interiorul cât și în afara laboratorului, inclusiv experimente cuantice, sincronizare atomică și sesizarea celei mai slabe semnale, cum ar fi modificările accelerației gravitaționale în jurul pământului.
„Ați putea pune aceste instrumente pe sateliți și harta gravitației pe și în jurul Pământului cu o oarecare precizie”, a spus Blumenthal. „Ai putea simți câmpul gravitațional din jurul Pământului pentru a măsura creșterea nivelului mării, schimbările în gheața marină și cutremurele”. El a adăugat: „Această tehnologie este compactă, cu putere redusă și ușoară, ceea ce o face ideală pentru implementarea în spațiu”.
