Badacze z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara opracowali kompaktowy, niedrogi laser, który dorównuje wydajnością systemom laboratoryjnym. Wykorzystując atomy rubidu i zaawansowaną integrację chipów, umożliwia takie zastosowania, jak obliczenia kwantowemierzenie czasu i wykrywanie środowiska, w tym satelitarne mapowanie grawitacyjne.
W przypadku eksperymentów wymagających ultraprecyzyjnych pomiarów i kontroli atomów – takich jak dwufotonowe zegary atomowe, czujniki interferometru zimnych atomów i bramki kwantowe – lasery są niezbędne. Kluczem do ich skuteczności jest czystość widmowa, co oznacza, że emitują światło o jednym kolorze lub częstotliwości. Obecnie uzyskanie ultraniskoszumowego, stabilnego światła niezbędnego w tych zastosowaniach opiera się na nieporęcznych i kosztownych stołowych systemach laserowych zaprojektowanych do generowania fotonów i zarządzania nimi w wąskim zakresie widma.
Ale co by było, gdyby te zastosowania atomowe mogły uwolnić się od ograniczeń laboratoriów i stanowisk laboratoryjnych? Taka jest wizja badań przeprowadzonych w laboratorium profesora inżynierii Daniela Blumenthala na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara, gdzie jego zespół pracuje nad odtworzeniem wydajności tych precyzyjnych laserów w lekkich urządzeniach przenośnych.
„Te mniejsze lasery umożliwią opracowanie skalowalnych rozwiązań laserowych dla rzeczywistych systemów kwantowych, a także laserów dla przenośnych, możliwych do rozmieszczenia w terenie i rozmieszczonych w przestrzeni kosmicznej czujników kwantowych” – powiedział Andrei Isichenko, doktorant w laboratorium Blumenthala. „Będzie to miało wpływ na obszary technologii, takie jak obliczenia kwantowe z wykorzystaniem neutralnych atomów i uwięzionych jonów, a także na zimno atom czujniki kwantowe, takie jak zegary atomowe i grawimetry”.
W artykule w czasopiśmie Raporty naukoweBlumenthal, Isichenko i zespół przedstawiają postęp w tym kierunku dzięki laserowi 780 nm z blokadą samowtryskową o bardzo małej szerokości linii. Naukowcy twierdzą, że to urządzenie wielkości mniej więcej pudełka zapałek może działać lepiej niż obecne lasery o wąskiej linii 780 nm, za ułamek kosztów produkcji i przestrzeni do ich przechowywania.
Lassowanie lasera
Atomem stymulującym rozwój lasera jest rubid, wybrany ze względu na jego dobrze znane właściwości, które czynią go idealnym do różnorodnych zastosowań wymagających dużej precyzji. Stabilność przejścia optycznego D2 dobrze nadaje atom zegarom atomowym; czułość atomu sprawia, że jest on również popularnym wyborem w przypadku czujników i fizyki zimnych atomów. Przepuszczając laser przez parę atomów rubidu jako atomowe odniesienie, laser bliskiej podczerwieni może przyjąć charakterystykę stabilnego przejścia atomowego.
„Możesz wykorzystać linie przejścia atomów do lassa lasera” – zauważył Blumenthal, starszy autor artykułu. „Innymi słowy, blokując laser w linii przejścia atomowego, laser mniej więcej przejmuje cechy tego przejścia atomowego pod względem stabilności”.
Ale fantazyjne czerwone światło nie jest dziełem precyzyjnego lasera. Aby światło miało pożądaną jakość, należy usunąć „szum”. Blumenthal opisuje to jako kamerton kontra struny gitarowe.
„Jeśli masz kamerton i uderzysz w dźwięk C, prawdopodobnie będzie to całkiem idealne C” – wyjaśnił. „Ale jeśli uderzysz w C na gitarze, usłyszysz tam inne dźwięki”. Podobnie lasery mogą wykorzystywać różne częstotliwości (kolory), które generują dodatkowe „tony”. Aby uzyskać pożądaną pojedynczą częstotliwość – w tym przypadku czyste, głęboko czerwone światło – systemy stołowe zawierają dodatkowe komponenty, które jeszcze bardziej wyciszają światło lasera. Wyzwaniem dla badaczy było zintegrowanie całej tej funkcjonalności i wydajności w chipie.
Zespół wykorzystał kombinację dostępnej na rynku diody laserowej Fabry-Perota i falowodów o najniższych stratach na świecie (wyprodukowanych w laboratorium Blumenthala); a także rezonatory współczynnikowe najwyższej jakości, wszystkie wykonane na platformie z azotku krzemu. W ten sposób udało im się odtworzyć wydajność nieporęcznych systemów stołowych, a ich urządzenie, zgodnie z ich testami, może przewyższać niektóre lasery stołowe, a także wcześniej zgłaszane lasery zintegrowane o cztery rzędy wielkości pod względem kluczowych wskaźników, takich jak szum częstotliwości i szerokość linii.
Wydajność i skalowalność
„Znaczenie niskich wartości szerokości linii polega na tym, że możemy uzyskać kompaktowy laser bez poświęcania wydajności lasera” – wyjaśnił Isichenko. „W pewnym sensie wydajność jest lepsza w porównaniu z konwencjonalnymi laserami dzięki pełnej integracji chipów. Te szerokości linii pomagają nam lepiej współdziałać z układami atomowymi, eliminując wpływ szumu lasera, aby w pełni rozdzielić sygnał atomowy w odpowiedzi na przykład na wykrywane przez nie środowisko”. Niskie szerokości linii — w tym projekcie rekordowo niska wartość podstawowa poniżej Hz i całka poniżej kHz — wskazują na stabilność technologii laserowej i jej zdolność do pokonywania szumów pochodzących zarówno ze źródeł zewnętrznych, jak i wewnętrznych.
Dalsze zalety tej technologii obejmują koszt — wykorzystuje ona diodę o wartości 50 dolarów oraz ekonomiczny i skalowalny proces produkcyjny, który jest tworzony przy użyciu procesu w skali płytek zgodnych z CMOS, czerpiącego ze świata produkcji chipów elektronicznych.
Sukces tej technologii oznacza, że możliwe będzie zastosowanie tych wysokowydajnych, precyzyjnych i niedrogich zintegrowanych laserów fotonicznych w różnych sytuacjach w laboratorium i poza nim, w tym w eksperymentach kwantowych, atomowym pomiarze czasu i wykrywaniu najsłabszych sygnałów, takich jak zmiany przyspieszenia grawitacyjnego wokół Ziemi.
„Można je umieścić na satelitach, aby stworzyć mapę grawitacyjną Ziemi i okolic Ziemi z pewną dokładnością” – powiedział Blumenthal. „Możesz mierzyć wzrost poziomu morza, zmiany w lodzie morskim i trzęsienia ziemi, wyczuwając pola grawitacyjne wokół Ziemi”. Kompaktowość, niskie zużycie energii i niewielka waga „idealnie pasują” – dodał, jeśli chodzi o technologię, którą można zastosować w przestrzeni kosmicznej.
Odniesienie: „Podstawowy laser sub-Hz, integralna szerokość linii poniżej kHz, zablokowany hybrydowy zintegrowany laser 780 nm” autorstwa Andrei Isichenko, Andrew S. Hunter, Debapam Bose, Nitesh Chauhan, Meiting Song, Kaikai Liu, Mark W. Harrington i Daniel J. Blumenthal, 18 listopada 2024 r., Raporty naukowe.
DOI: 10.1038/s41598-024-76699-x
