Tim istraživača predvođen Jelenom Vučković, profesoricom elektrotehnike na Sveučilištu Stanford, predvodio je integraciju lasera od dragog kamenja od titana (Ti:safir) na čipu (koji se može pumpati zelenim laserskim pokazivačem). U usporedbi s bilo kojim drugim trenutno dostupnim laserom za drago kamenje od titana, ovaj prototip je četiri reda veličine manji (tj. jedna desettisućinka originala) i tri reda veličine niža u cijeni (tj. jedna tisućinka originala).
Laseri s dragim kamenjem od titana, zbog svoje propusnosti velikog pojačanja i ultrabrzog izlaza impulsa, nezamjenjivi su u područjima kao što su vrhunska kvantna optika, spektroskopija i neuroznanost. Međutim, njihova velika veličina i visoka cijena (stotine tisuća dolara svaki), kao i potreba za uređajima velike snage (svaki se prodaje za oko 30 USD, 000) za njihovo pumpanje, ograničili su njihovu široku upotrebu.
"U Stanfordovom Laboratoriju za nano i kvantnu fotoniku proveli smo nekoliko kvantnih eksperimenata koji se temelje na spin kvantnim bitovima u čvrstom stanju u materijalima kao što su dijamant i silicijev karbid. Ovaj eksperiment se uvelike oslanja na komercijalne lasere od dragog kamenja od titana." Objašnjava Joshua Yang, doktorand u Vučkovićevom timu.
Osim što su skupi, laseri s dragim kamenjem od titana složeni su i često zahtijevaju redovito održavanje kako bi dobro radili. Prof. Vučkovićev istraživački tim provodi velik broj eksperimenata za koje laseri s titanovim dragim kamenjem nemaju dovoljno strojnog vremena, te stoga moraju dijeliti opremu i upravljati rasporedom eksperimenta. Osim toga, budući da je snaga potrebna za eksperimente mnogo niža od izlazne snage komercijalnih lasera s dragim kamenjem od titana, izlaz lasera može se prigušiti samo za nekoliko redova veličine, što rezultira gubitkom velikog dijela snage lasera.
Yang je rekao: "Laseri s titan safirom na čipu, zbog svoje niske cijene, kompaktnosti i stabilnosti, mogu zamijeniti komercijalne laserske sustave s titanovim dragim kamenjem koji se trenutno koriste za naše precizne eksperimente."
Slika 1: Laser za drago kamenje od titana na čipu koji je razvio istraživački tim prof. Jelene Vučković. Laser se dijagonalno naslanja na dragi kamen od titana, a oba se oslanjaju na četvrtinu.
Pametan laserski dizajn
Laser na čipu koji je razvio tim sastoji se od dva glavna dijela: valovoda i prstenastog rezonatora.
Sloj dragog kamenja od titana stavlja se na podlogu od silicijevog dioksida (SiO2), koja se zatim postavlja na kristal safira. Sloj dragog kamenja od titana je brušen, ugraviran i poliran do debljine od samo nekoliko stotina nanometara. Zatim je oblikovan s valovodom, koji djeluje kao vrtlog sićušnih grebena koji usmjeravaju svjetlost dok putuje kroz njega.
Za zagrijavanje valovoda koristi se minijaturni grijač, koji mijenja indeks loma valovoda i brzinu kojom svjetlost putuje kroz valovod, tako da se izlazna valna duljina može prilagoditi u nizu valnih duljina, od crvene do infracrvene (trenutačno podesiva do 60 nm).
"Valni vodič u obliku spirale ekvivalentan je pojačalu za laser, a snaga se povećava kako laser prolazi." Yang objašnjava: "Prstenasti rezonator djeluje i kao filter za modulaciju valne duljine lasera putem mikrogrijača i kao rezonantna šupljina za laser - djelujući kao recirkulacijski put za laserski prijenos."
Slika 2: Optička slika valovodnog pojačala od dragog kamena od titana dimenzija 0.5 mm x 0.5 mm.
Izazovi za lasere od titanijskog dragog kamenja na čipu
Najveća poteškoća s laserima od dragog kamenja od titana je što im je za rad potrebno pumpanje visokog intenziteta. Realizacijom laserske tehnologije dragog kamenja od titana kroz valovod visoke preciznosti, istraživački tim je postigao dva važna otkrića:
Prvo, budući da je intenzitet pumpanja snaga podijeljena s područjem, korištenje optičkih valovoda od dragog kamenja od titana značajno smanjuje područje pumpanja. "To znači da je potrebno samo manje snage (oko 1000 puta manje) da bi se postigao intenzitet pumpanja sličan onome kod komercijalnih sustava dragog kamenja od titana." Yang objašnjava: "Dakle, čak je i jeftini poluvodički laser sa zelenim svjetlom dovoljno snažan da pumpa ovaj laser veličine čipa."
Drugo, laser za drago kamenje od titana integriran je u čip. "Safirni laser veličine čipa (bez više pokretnih dijelova) ima minijaturizaciju, skalabilnost i trajnost neusporedivu s komercijalnim laserima za veliku proizvodnju poluvodiča na razini pločice." dodao je Yang.
Za Yanga, vrhunac ovog rada je korištenje ovog lasera od titanijskog dragog kamenja veličine čipa za kvantne eksperimente. Rekao je: "Bilo je veliko iznenađenje vidjeti kako ovaj sićušni uređaj zamjenjuje glomazni komercijalni laserski sustav u eksperimentu kvantne elektrodinamike složene šupljine (QED). Budući da su laseri veličine čipa koje smo razvili doista iznimni."
Jedan od izazova koje je Vučkovićev istraživački tim morao prevladati kako bi laser na titanskom dragom kamenju veličine čipa bio uistinu upotrebljiv za kvantne eksperimente bilo je optimiziranje spajanja izvora pumpe. "Za pokuse, laser se pumpa kroz put svjetlosti u slobodnom prostoru", kaže Yang, "ali s tehnologijom fotonskog pakiranja moguće je integrirati poluvodički laser zelenog svjetla koji služi kao izvor pumpe za dragi kamen od titana veličine čipa Optimiziranjem spajanja sustava za pakiranje i izvora pumpe može se postići veća snaga lasera, a laser je i prenosiv i izdržljiv."
Potencijalne primjene
Titanski laseri s dragim kamenjem veličine čipa imaju širok raspon primjena, od kvantnih tehnologija kao što su kvantno računalstvo i atomski satovi do medicinskih primjena kao što su optička koherentna tomografija i dvofotonska mikroskopija.
"Nadajmo se da će ova tehnologija sazrijeti i koristiti se u ovim područjima u sljedećih nekoliko godina", rekao je Yang. Nakon što diplomira ovog ljeta, radit će za Brightlight Photonics, tvrtku koja će raditi na olakšavanju komercijalizacije lasera s titanovim dragim kamenjem veličine čipa.
Trenutačno Jelena Vučković i njezin istraživački tim rade na podesivom titanskom laseru na skali čipa s zaključanim modom.
Pulsni laseri "otvorit će nove mogućnosti za primjenu lasera u kvantnoj tehnologiji, klasičnoj obradi informacija i biomedicini", rekao je prof. Vučković.
