UC Santa Barbara-Forscher haben einen kompakten, kostengünstigen Laser entwickelt, der mit der Leistung von Systemen im Labormaßstab konkurriert. Es verwendet Rubidium-Atome und fortschrittliche Chip-Integrationstechniken, um Anwendungen wie Quantum Computing, Zeitmessung und Umgebungssenkung, einschließlich Satellitenbasis-Gravity-Mapping, zu ermöglichen.
Laser sind für Experimente, die eine ultra-präzise Atommessung und -steuerung erfordern, unverzichtbar, wie z. Der Schlüssel zur Wirksamkeit von Lasern ist ihre spektrale Reinheit, die die Emission von nur einer Farbe oder Frequenz ist. Das Erreichen des für diese Anwendungen erforderlichen ultra-niedrigen, stabilen Lichts stützt sich heute auf sperrigen und teuren Lasersystemen, die zur Erzeugung und Verwaltung von Photonen in einem schmalen Spektralbereich entwickelt wurden.
Aber was wäre, wenn diese atomaren Anwendungen den Grenzen des Labors und des Benchtops entkommen könnten? Dies ist die Vision, die Forschung im Labor von Daniel Blumenthal, einem Professor für Ingenieurwesen an der UC Santa Barbara, fährt, wo sein Team daran arbeitet, die Leistung dieser hochpräzisen Laser in leichten Handheld-Geräten zu replizieren.
"Diese kleinen Laser ermöglichen skalierbare Laserlösungen für praktische Quantensysteme sowie Laser für tragbare, feldverpackte und raumbasierte Quantensensoren", sagte Andrei Isichenko, ein Graduiertenforscher im Labor von Blumenthal. "Dies wird Auswirkungen auf technologische Bereiche wie das Quantencomputer unter Verwendung neutraler Atome und eingeschlossener Ionen sowie Kalt-Atom-Quantensensoren wie Atomuhren und Gravimeter haben."
In einem in der Zeitschrift Scientific Reports veröffentlichten Papier beschreiben Blumenthal, Isichenko und ihr Team die Entwicklung eines ultra-lowen Linewidth-Selbst-Injektions-Laser-Nanometer-Lasers in dieser Richtung in dieser Richtung. Die Forscher sagen, dass das Gerät, das ungefähr die Größe einer Matchbox hat, die aktuelle Schmalzeilbreite 780- NM-Laser mit einem Bruchteil der Herstellungskosten und des Raums übertreffen kann.
Rubidium-Atome wurden für den Laser ausgewählt, da sie bekannte Eigenschaften haben, die sie ideal für eine Vielzahl hochpräziser Anwendungen machen. Die Stabilität ihres optischen D2 -Übergangs macht sie ideal für Atomuhren. Die Empfindlichkeit der Atome macht sie auch zu einer beliebten Wahl für Sensoren und Kaltphysik. Indem der Laser durch einen Dampf von Rubidium-Atomen geleitet wird, die als atomare Referenz dienen, nimmt der Nahinfrarot-Laser die Eigenschaften eines stabilen Atomübergangs an.
"Sie verwenden die Atomübergangslinie, um den Laser zu fangen", sagt Blumenthal, leitender Autor der Zeitung. "Mit anderen Worten, indem der Laser an die Atomübergangslinie gesperrt wird, nimmt der Laser mehr oder weniger die Eigenschaften dieses Atomübergangs in Bezug auf Stabilität an."
Aber ausgefallenes rotes Licht sorgt für einen Präzisionslaser. Um die ideale Qualität des Laserlichts zu erhalten, muss das "Geräusch" entfernt werden. Blumenthal beschreibt es als Tuning -Gabel gegenüber einer Gitarrenschnur. "Wenn Sie mit einer Tuning -Gabel ein C treffen, könnte es ein sehr perfektes C sein", erklärt er. "Aber wenn Sie ein C auf einer Gitarre treffen, können Sie andere Töne darin hören." In ähnlicher Weise kann Laserlicht unterschiedliche Frequenzen (Farben) enthalten und zusätzliche "Töne" erzeugen. Um die erforderliche einzelne Frequenz (in diesem Fall, reines tiefes Licht) zu erzeugen, verwendet das System zusätzliche Komponenten, um das Laserlicht weiter zu glätten. Die Herausforderung für die Forscher bestand darin, all diese Funktionen und Leistung auf einen einzelnen Chip zu packen.
"Das Team verwendete eine Kombination aus kommerziell erhältlichen Fabry-Perot-Laserdioden, den weltweit niedrigsten Verlustwellenleitern (hergestellt von Blumenthals Labor) und der Ressonatoren mit höchster Qualität, die alle auf einer Siliziumnitrideplattform hergestellt wurden. In der Lage, die Leistung von sperrigen Benchtop -Systemen -- nach ihren Tests zu replizieren, übertraf ihr Gerät einige Benchtop -Laser sowie zuvor gemeldete integrierte Laser, um vier Größenordnungen in Schlüsselmetriken wie Frequenzrauschen und Linienbreite.
"Die Bedeutung von Werten mit niedriger Linienbreite ist, dass wir kompakte Laser erreichen können, ohne die Laserleistung zu beeinträchtigen", erklärte Iichtenko. "In gewisser Weise wird die Leistung im Vergleich zu herkömmlichen Lasern aufgrund der erreichten vollständigen Integration im Chipmaßstab verbessert. Diese Linienbreiten helfen uns, besser mit dem Atomsystem zu interagieren, den Beitrag des Laserrauschens zu beseitigen und damit die Atomsignale vollständig aufzulösen Reaktion auf die Umgebung, die sie spüren usw. "
Die niedrigen Linienbreiten für dieses Projekt sind fundamentale und subkilohertz-integrierte Linienbreiten, die die Stabilität und Fähigkeit der Lasertechnologie sowohl aus externen als auch internen Quellen beweisen.
Weitere Vorteile der Technologie sind Cost-It-Dioden in Höhe von 50 US-Dollar und werden unter Verwendung eines kostengünstigen und skalierbaren Herstellungsprozesses hergestellt, das mit CMOS-kompatiblen Wafer-Maßstäben aufgebaut wird und die Ausleihe aus der Welt der Elektronik-Chip-Herstellung aufweist. Der Erfolg dieser Technologie bedeutet, dass diese leistungsstarken, hochpräzisen und kostengünstigen photonischen integrierten Laser in verschiedenen Umgebungen sowohl innerhalb als auch außerhalb des Labors eingesetzt werden könnten, einschließlich Quantenexperimenten, Atomtiming und Erkennen der schwächsten Signale, wie Veränderungen der Gravitationsbeschleunigung um die Erde.
"Sie könnten diese Instrumente auf Satelliten stellen und die Schwerkraft in und um die Erde mit einiger Genauigkeit kartieren", sagte Blumenthal. "Man könnte das Gravitationsfeld um die Erde spüren, um den Anstieg des Meeresspiegels, Veränderungen im Meereis und Erdbeben zu messen." Er fügte hinzu: "Diese Technologie ist kompakt, niedrigem Strom und leicht, was sie ideal für den Einsatz im Weltraum macht."
