UC Santa Barbara-onderzoekers hebben een compacte, goedkope laser ontwikkeld die de prestaties van lab-schaalsystemen weerspiegelt. Het maakt gebruik van rubidiumatomen en geavanceerde chip-integratietechnieken om toepassingen zoals kwantum computing, tijdwaardering en omgevingsdetectie mogelijk te maken, inclusief op satelliet gebaseerde zwaartekrachtmapping.
Lasers zijn onmisbaar voor experimenten die ultra-nauwkeurige atomaire meting en controle vereisen, zoals atomaire klokken met twee fotonen, interferometer-sensoren en kwantumpoorten. De sleutel tot de effectiviteit van lasers is hun spectrale zuiverheid, wat de emissie van het licht van slechts één kleur of frequentie is. Tegenwoordig is het bereiken van het ultra-lage, stabiel licht dat nodig is voor deze toepassingen, afhankelijk van omvangrijke en dure bankop lasersystemen die zijn ontworpen om fotonen binnen een smal spectraal bereik te genereren en te beheren.
Maar wat als deze atomaire toepassingen kunnen ontsnappen aan de grenzen van het lab en de bankop? Dit is het onderzoek naar visie in het laboratorium van Daniel Blumenthal, een professor in engineering aan UC Santa Barbara, waar zijn team werkt om de prestaties van deze zeer nauwkeurige lasers in lichtgewicht, handheld-apparaten te repliceren.
"Deze kleine lasers zullen schaalbare laseroplossingen mogelijk maken voor praktische kwantumsystemen, evenals lasers voor draagbare, veld-ingezette en ruimte-gebaseerde kwantumsensoren," zei Andrei Isichenko, een afgestudeerde onderzoeker in het laboratorium van Blumenthal. "Dit zal implicaties hebben voor technologiegebieden zoals kwantum computing met behulp van neutrale atomen en gevangen ionen, evenals koude atoom kwantumsensoren zoals atomaire klokken en gravimeters."
In een paper gepubliceerd in het tijdschrift Scientific Reports beschrijven Blumenthal, Isichenko en hun team de ontwikkeling van een chipschaal ultra-lage lijnbreedte zelf-injectie-vergrendeld 780- nanometerlaser in deze richting. De onderzoekers zeggen dat het apparaat, dat ongeveer de grootte van een Matchbox heeft, beter kan presteren dan de huidige smalle-linewidth 780- nm lasers tegen een fractie van de productiekosten en ruimte.
Rubidium-atomen werden gekozen voor de laser omdat ze bekende eigenschappen hebben die ze ideaal maken voor een verscheidenheid aan zeer nauwkeurige toepassingen. De stabiliteit van hun D2 -optische overgang maakt hen ideaal voor atomaire klokken; De gevoeligheid van de atomen maakt ze ook een populaire keuze voor sensoren en fysica van koud atoom. Door de laser te passeren door een damp van rubidiumatomen die dienen als een atomaire referentie, neemt de nabij-infrarood laser de eigenschappen van een stabiele atoomovergang op zich.
"Je gebruikt de atomaire overgangslijn om de laser te vangen", zegt Blumenthal, de senior auteur van de krant. "Met andere woorden, door de laser op de atoomovergangslijn te vergrendelen, neemt de laser min of meer de eigenschappen van die atomaire overgang in termen van stabiliteit."
Maar fancy rood licht zorgt niet voor een precisielaser. Om de ideale kwaliteit van laserlicht te krijgen, moet het "geluid" worden verwijderd. Blumenthal beschrijft het als een afstemmingsvork versus een gitaarreeks. "Als je een C raakt met een afstemmingsvork, kan het een zeer perfecte C zijn", legt hij uit. "Maar als je een C op een gitaar raakt, kun je er andere tonen in horen." Evenzo kan laserlicht verschillende frequenties (kleuren) bevatten, waardoor extra "tonen" ontstaan. Om de vereiste enkele frequentie te produceren (in dit geval zuiver diep rood licht), gebruikt het systeem extra componenten om het laserlicht verder te gladstrijken. De uitdaging voor de onderzoekers was om al deze functionaliteit en prestaties in een enkele chip in te pakken.
"Het team gebruikte een combinatie van in de handel verkrijgbare Fabry-Perot laserdioden, 's werelds laagste uitbarstingsgolfgeleiders (gemaakt door Blumenthal's Lab) en de hoogste kwaliteitsfactorresonators, allemaal gefabriceerd op een siliciumnitride-platform. Daarin waren ze dat, ze waren daarmee, ze waren daarmee, ze waren daarmee, ze waren daarbij, ze waren dat, ze waren daarbij, ze waren dat, ze waren daarbij, ze waren dat, ze waren daarbij, ze waren dat, ze waren daarbij, ze waren dat In staat om de prestaties van omvangrijke bankop -systemen te repliceren -- Volgens hun tests presteerde hun apparaat beter dan enkele bankop -lasers, evenals eerder gerapporteerde geïntegreerde lasers, met vier orden van grootte in belangrijke metrics zoals frequentieruis en lijnwidth.
"De betekenis van lage lijnbreedtewaarden is dat we compacte lasers kunnen bereiken zonder laserprestaties op te offeren," legde Isichenko uit. "In sommige opzichten zijn de prestaties verbeterd in vergelijking met conventionele lasers vanwege de volledige integratie van chipschaal die is bereikt. Deze lijnbreedtes helpen ons beter te communiceren met het atoomsysteem, waardoor de bijdrage van laserruis wordt geëlimineerd en dus de atoomsignalen volledig oplossen in reactie op de omgeving die ze voelen, enz. "
De lage lijnbreedtes zijn voor dit project een record-lage sub-Hertz fundamentele en sub-kilohertz geïntegreerde lijnbreedtes, wat de stabiliteit en het vermogen van de lasertechnologie en het vermogen van zowel externe als interne bronnen aantoont.
Andere voordelen van de technologie zijn onder meer Cost-IT gebruikt $ 50 diodes en wordt gefabriceerd met behulp van een kosteneffectief en schaalbaar productieproces dat is gebouwd met behulp van CMOS-compatibele waferschaalprocessen, lenen uit de wereld van elektronische chipproductie. Het succes van deze technologie betekent dat deze krachtige, zeer nauwkeurige, goedkope fotonische geïntegreerde lasers in verschillende instellingen kunnen worden ingezet, zowel binnen als buiten het lab, inclusief kwantumexperimenten, atomaire timing en het voelen van de zwakste signalen, zoals veranderingen in zwaartekrachtversnelling rond de aarde.
"Je zou deze instrumenten op satellieten kunnen zetten en de zwaartekracht in en rond de aarde in kaart brengen met enige nauwkeurigheid," zei Blumenthal. "Je zou het zwaartekrachtveld rond de aarde kunnen voelen om de zeespiegelstijging, veranderingen in zee -ijs en aardbevingen te meten." Hij voegde eraan toe: "Deze technologie is compact, low-power en lichtgewicht, waardoor het ideaal is voor de inzet in de ruimte."
