Οι ερευνητές της UC Santa Barbara έχουν αναπτύξει ένα συμπαγές, χαμηλού κόστους λέιζερ που ανταγωνίζεται την απόδοση των συστημάτων εργαστηριακής κλίμακας. Χρησιμοποιεί άτομα rubidium και προηγμένες τεχνικές ενσωμάτωσης τσιπ για να επιτρέψει σε εφαρμογές όπως κβαντική υπολογιστική, χρονομέτρηση και περιβαλλοντική ανίχνευση, συμπεριλαμβανομένης της χαρτογράφησης βαρύτητας με βάση δορυφορικά.
Τα λέιζερ είναι απαραίτητα για πειράματα που απαιτούν εξαιρετικά εορταστική ατομική μέτρηση και έλεγχο, όπως ατομικά ρολόγια δύο φωτονίων, αισθητήρες συμβολομέτρου ψυχρού ατόμου και κβαντικές πύλες. Το κλειδί για την αποτελεσματικότητα των λέιζερ είναι η φασματική καθαρότητα τους, η οποία είναι η εκπομπή φωτός μόνο ενός χρώματος ή συχνότητας. Σήμερα, η επίτευξη του εξαιρετικά χαμηλού θορύβου, σταθερού φωτός που απαιτείται για αυτές τις εφαρμογές βασίζεται σε ογκώδη και ακριβά συστήματα λέιζερ Benchtop που έχουν σχεδιαστεί για τη δημιουργία και τη διαχείριση φωτόνων μέσα σε ένα στενό φασματικό εύρος.
Αλλά τι γίνεται αν αυτές οι ατομικές εφαρμογές θα μπορούσαν να ξεφύγουν από τα όρια του εργαστηρίου και του benchtop; Αυτό είναι το όραμα που οδηγεί την έρευνα στο εργαστήριο του Daniel Blumenthal, καθηγητή μηχανικής στο UC Santa Barbara, όπου η ομάδα του εργάζεται για να αναπαράγει την απόδοση αυτών των λέιζερ υψηλής ακρίβειας σε ελαφρές συσκευές χειρός.
"Αυτά τα μικρά λέιζερ θα επιτρέψουν κλιμακούμενες λύσεις λέιζερ για πρακτικά κβαντικά συστήματα, καθώς και λέιζερ για φορητούς, κβαντικούς αισθητήρες με βάση το χώρο", δήλωσε ο Andrei Isichenko, μεταπτυχιακός ερευνητής στο εργαστήριο του Blumenhal. "Αυτό θα έχει επιπτώσεις σε τομείς τεχνολογίας όπως κβαντική υπολογιστική με χρήση ουδέτερων ατόμων και παγιδευμένων ιόντων, καθώς και κβαντικών αισθητήρων ψυχρού ατόμου, όπως ατομικά ρολόγια και gravimeters".
Σε ένα έγγραφο που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Scientific Reports, ο Blumenthal, ο Isichenko και η ομάδα τους περιγράφουν την ανάπτυξη ενός υπερ-χαμηλής γραμμής LINE-LOW LINEW-LOCKED 780- λέιζερ νανομέτρου προς αυτή την κατεύθυνση. Οι ερευνητές λένε ότι η συσκευή, η οποία είναι περίπου το μέγεθος ενός κιβωτίου ταχυτήτων, μπορεί να ξεπεράσει την τρέχουσα γραμμή στενής γραμμής 780- nm λέιζερ σε ένα κλάσμα του κόστους κατασκευής και του χώρου.
Τα άτομα rubidium επιλέχθηκαν για το λέιζερ επειδή έχουν γνωστές ιδιότητες που τα καθιστούν ιδανικά για μια ποικιλία εφαρμογών υψηλής ακρίβειας. Η σταθερότητα της οπτικής μετάβασης D2 τους καθιστά ιδανικές για ατομικά ρολόγια. Η ευαισθησία των ατόμων τους καθιστά επίσης μια δημοφιλής επιλογή για τους αισθητήρες και τη φυσική του ψυχρού ατόμου. Περνώντας το λέιζερ μέσω ενός ατμού ατόμων ρουβιδίου που χρησιμεύουν ως ατομική αναφορά, το λέιζερ κοντά στην υπέρυθρη ακτινοβολία αναλαμβάνει τις ιδιότητες μιας σταθερής ατομικής μετάβασης.
"Χρησιμοποιείτε την ατομική γραμμή μετάβασης για να παγιδεύσετε το λέιζερ", λέει ο Blumenthal, ο ανώτερος συγγραφέας του χαρτιού. "Με άλλα λόγια, κλείνοντας το λέιζερ στη γραμμή ατομικής μετάβασης, το λέιζερ παίρνει περισσότερο ή λιγότερο τις ιδιότητες αυτής της ατομικής μετάβασης όσον αφορά τη σταθερότητα".
Αλλά το φανταχτερό κόκκινο φως δεν κάνει για ένα λέιζερ ακριβείας. Για να αποκτηθεί η ιδανική ποιότητα του φωτός λέιζερ, πρέπει να αφαιρεθεί ο "θόρυβος". Το Blumenthal το περιγράφει ως πιρούνι συντονισμού έναντι κιθάρας. "Εάν χτυπήσετε ένα C με ένα πιρούνι συντονισμού, μπορεί να είναι ένα πολύ τέλειο C", εξηγεί. "Αλλά αν χτυπήσετε ένα C σε κιθάρα, μπορείτε να ακούσετε άλλους τόνους σε αυτό." Ομοίως, το φως λέιζερ μπορεί να περιέχει διαφορετικές συχνότητες (χρώματα), δημιουργώντας πρόσθετους "τόνους". Για να παραχθεί η απαιτούμενη μεμονωμένη συχνότητα (σε αυτή την περίπτωση, καθαρό βαθύ κόκκινο φως), το σύστημα χρησιμοποιεί πρόσθετα εξαρτήματα για να εξομαλύνει περαιτέρω το φως λέιζερ. Η πρόκληση για τους ερευνητές ήταν να συσκευάσουν όλες αυτές τις λειτουργίες και τις επιδόσεις σε ένα μόνο τσιπ.
"Η ομάδα χρησιμοποίησε ένα συνδυασμό εμπορικά διαθέσιμων διόδων λέιζερ Fabry-Perot, των κυματοδηγών χαμηλότερης απώλειας του κόσμου (που κατασκευάστηκαν από το εργαστήριο Blumenthal) και των συντονιστών υψηλότερης ποιότητας, όλα κατασκευάστηκαν σε πλατφόρμα νιτρίδων πυριτίου. Δυνατότητα αναπαραγωγής της απόδοσης των ογκώδους συστημάτων Benchtop -- Σύμφωνα με τις δοκιμές τους, η συσκευή τους ξεπέρασε ορισμένα λέιζερ Benchtop, καθώς και προηγουμένως αναφερόμενα ολοκληρωμένα λέιζερ, με τέσσερις τάξεις μεγέθους σε βασικές μετρήσεις όπως ο θόρυβος συχνότητας και το γραμμικό δίκτυο.
"Η σημασία των χαμηλών τιμών γραμμής είναι ότι μπορούμε να επιτύχουμε συμπαγή λέιζερ χωρίς να θυσιάζουμε την απόδοση του λέιζερ", εξήγησε ο Isichenko. "Με κάποιους τρόπους, η απόδοση βελτιώνεται σε σύγκριση με τα συμβατικά λέιζερ λόγω της ολοκλήρωσης της πλήρους κλίμακας που έχει επιτευχθεί. Αυτά τα ζεύγη γραμμών μας βοηθούν καλύτερα να αλληλεπιδράσουμε με το ατομικό σύστημα, εξαλείφοντας τη συμβολή του θορύβου με λέιζερ και έτσι την πλήρη επίλυση των ατομικών σημάτων μέσα απάντηση στο περιβάλλον που αισθάνονται, κλπ. "
Τα χαμηλά επίπεδα γραμμών, για αυτό το έργο, είναι τα βασικά και τα ενσωματωμένα γραμμικά ζητήματα του υπο-λιμενικού και υπο-κ.
Άλλα πλεονεκτήματα της τεχνολογίας περιλαμβάνουν το Cost-It χρησιμοποιεί διόδους 50 δολαρίων και κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας μια οικονομικά αποδοτική και κλιμακωτή διαδικασία κατασκευής που είναι κατασκευασμένη χρησιμοποιώντας διαδικασίες κλίμακας με CMOS, δανεισμός από τον κόσμο της ηλεκτρονικής κατασκευής τσιπ. Η επιτυχία αυτής της τεχνολογίας σημαίνει ότι αυτά τα υψηλής απόδοσης, υψηλής ακρίβειας, χαμηλού κόστους φωτονικά ολοκληρωμένα λέιζερ θα μπορούσαν να αναπτυχθούν σε μια ποικιλία ρυθμίσεων τόσο εντός όσο και εκτός του εργαστηρίου, συμπεριλαμβανομένων κβαντικών πειραμάτων, ατομικού χρονισμού και ανίχνευσης των ασθενέστερων σημάτων, όπως οι αλλαγές στην επιτάχυνση της βαρύτητας γύρω από τη γη.
"Θα μπορούσατε να βάλετε αυτά τα όργανα σε δορυφόρους και να χαρτογραφήσετε τη βαρύτητα μέσα και γύρω από τη γη με κάποια ακρίβεια", δήλωσε ο Blumenthal. "Θα μπορούσατε να αισθανθείτε το βαρυτικό πεδίο γύρω από τη γη για να μετρήσετε την άνοδο της στάθμης της θάλασσας, τις αλλαγές στον πάγο της θάλασσας και τους σεισμούς". Πρόσθεσε: "Αυτή η τεχνολογία είναι συμπαγής, χαμηλής ισχύος και ελαφρύς, καθιστώντας το ιδανικό για ανάπτυξη στο διάστημα."
