UC Santa Barbara araştırmacıları, laboratuvar ölçeği sistemlerinin performansına rakip olan kompakt, düşük maliyetli bir lazer geliştirdiler. Uydu bazlı yerçekimi haritalaması da dahil olmak üzere kuantum bilgi işlem, zaman işleme ve çevresel algılama gibi uygulamaları mümkün kılmak için rubidyum atomları ve gelişmiş çip entegrasyon teknikleri kullanır.
Lazerler, iki foton atomik saatler, soğuk atom interferometre sensörleri ve kuantum kapıları gibi ultra kesintiye atomik ölçüm ve kontrol gerektiren deneyler için vazgeçilmezdir. Lazerlerin etkinliğinin anahtarı, sadece bir renk veya frekansın ışığının emisyonu olan spektral saflığıdır. Bugün, bu uygulamalar için gerekli olan ultra düşük gürültü, kararlı ışığın elde edilmesi, fotonları dar bir spektral aralıkta üretmek ve yönetmek için tasarlanmış hacimli ve pahalı tezgah lazer sistemlerine dayanmaktadır.
Peki ya bu atom uygulamaları laboratuvarın ve tezgahın sınırlarından kaçabilirse? Bu, UC Santa Barbara'da mühendislik profesörü olan Daniel Blumenthal'ın laboratuvarında araştırmayı sürdüren vizyon, ekibinin bu yüksek hassasiyetli lazerlerin performansını hafif, el cihazlarında çoğaltmak için çalıştığı.
Blumenthal laboratuvarında lisansüstü araştırmacı Andrei Isichenko, "Bu küçük lazerler, pratik kuantum sistemleri için ölçeklenebilir lazer çözeltileri ve taşınabilir, saha dağıtımlı ve uzay tabanlı kuantum sensörleri için lazerler etkinleştirecek." Dedi. "Bunun nötr atomlar ve tuzağa düşmüş iyonlar kullanan kuantum hesaplama gibi teknoloji alanlarının yanı sıra atomik saatler ve gravimetreler gibi soğuk atomlu kuantum sensörleri için etkileri olacaktır."
Scientific Reports dergisinde yayınlanan bir makalede, Blumenthal, Isichenko ve ekibleri, bu yönde çip ölçekli ultra düşük çizgi genişliği kendi enjeksiyon kilitli 780- nanometre lazerinin gelişimini açıklamaktadır. Araştırmacılar, bir kibrit kutusunun boyutu olan cihazın, üretim maliyeti ve alanının bir kısmında akım dar hat genişliği 780- nm lazerlerden daha iyi performans gösterebileceğini söylüyor.
Rubidyum atomları lazer için seçildi, çünkü onları çeşitli yüksek hassasiyetli uygulamalar için ideal hale getiren iyi bilinen özelliklere sahipler. D2 optik geçişlerinin stabilitesi onları atomik saatler için ideal hale getirir; Atomların hassasiyeti onları sensörler ve soğuk atom fiziği için popüler bir seçim haline getirir. Lazeri, atomik bir referans görevi gören bir rubidyum atomu buharından geçirerek, kızılötesine yakın lazer, kararlı bir atomik geçişin özelliklerini alır.
Makalenin kıdemli yazarı Blumenthal, "Lazeri tuzağa düşürmek için atomik geçiş hattını kullanıyorsunuz" diyor. "Başka bir deyişle, lazeri atomik geçiş çizgisine kilitleyerek, lazer az çok bu atomik geçişin özelliklerini stabilite açısından alır."
Ancak süslü kırmızı ışık hassas bir lazer yapmaz. Lazer ışığının ideal kalitesini elde etmek için "gürültü" kaldırılmalıdır. Blumenthal bunu bir gitar ipine karşı bir ayar çatalı olarak tanımlar. "Bir C'yi bir ayar çatalı ile vurursanız, çok mükemmel bir C olabilir" diye açıklıyor. "Ama bir C'ye bir gitarda vurursanız, içinde başka tonlar duyabilirsiniz." Benzer şekilde, lazer ışığı ek "tonlar" oluşturarak farklı frekanslar (renkler) içerebilir. Gerekli tek frekansı üretmek için (bu durumda saf derin kırmızı ışık), sistem lazer ışığını daha da yumuşatmak için ek bileşenler kullanır. Araştırmacılar için zorluk, tüm bu işlevsellik ve performansı tek bir çipte paketlemekti.
"Ekip, ticari olarak temin edilebilen Fabry-Perot lazer diyotlarının, dünyanın en düşük kayıplı dalga kılavuzları (Blumenthal'ın laboratuvarı tarafından yapılmıştır) ve hepsi bir silikon nitrür platformunda üretilen en kaliteli faktör rezonatörlerinin bir kombinasyonunu kullandı. Testlerine göre hacimli tezgah sistemleri --} performansını çoğaltabilen cihazları, bazı tezgah üstü lazerlerden daha iyi performans gösterdi ve daha önce bildirilen entegre lazerleri, frekans gürültüsü ve çizgi genişliği gibi anahtar metriklerde dört büyüklükte.
Isichenko, "Düşük çizgi genişliği değerlerinin önemi, lazer performansından ödün vermeden kompakt lazerler elde edebilmemizdir." "Bazı açılardan, elde edilen tam yonga ölçekli entegrasyon nedeniyle geleneksel lazerlere kıyasla performans iyileştirilir. Bu çizgi genişlikleri, atomik sistemle daha iyi etkileşim kurmamıza, lazer gürültüsünün katkısını ortadan kaldırmamıza ve böylece atomik sinyalleri tam olarak çözmemize yardımcı olur. Algıladıkları çevreye yanıt vb. "
Bu proje için düşük çizgi genişlikleri, lazer teknolojisinin hem dış hem de iç kaynaklardan gelen gürültüyü aşma stabilitesini ve yeteneğini gösteren rekor düşük Sub-Hertz temel ve alt-kilohertz entegre çizgi genişlikleridir.
Teknolojinin diğer avantajları arasında maliyet-IT 50 $ diyot kullanır ve elektronik çip üretimi dünyasından borç alarak CMOS uyumlu gofret ölçeği süreçleri kullanılarak inşa edilen uygun maliyetli ve ölçeklenebilir bir üretim süreci kullanılarak üretilir. Bu teknolojinin başarısı, bu yüksek performanslı, yüksek hassasiyetli, düşük maliyetli fotonik entegre lazerlerin, kuantum deneyleri, atom zamanlaması ve en zayıf sinyalleri algılama dahil olmak üzere laboratuvarın içinde ve dışındaki çeşitli ortamlarda dağıtılabileceği anlamına gelir. Dünya çevresindeki yerçekimi ivmesinde değişiklikler gibi.
Blumenthal, "Bu enstrümanları uydulara koyabilir ve yeryüzündeki ve çevresindeki yerçekimini biraz doğrulukla koyabilirsiniz." Dedi. "Deniz seviyesinin yükselişini, deniz buzundaki değişiklikleri ve depremleri ölçmek için yeryüzündeki yerçekimi alanını hissedebilirsiniz." "Bu teknoloji kompakt, düşük güç ve hafiftir, bu da onu uzayda konuşlandırma için ideal hale getirir."
