прорыв! Лазер размером с ладонь расширяет границы лабораторий 

Лазеры необходимы для экспериментов, требующих сверхточных атомных измерений и контроля, таких как двухфотонные атомные часы, датчики-интерферометры холодных атомов и квантовые вентили. Ключом к эффективности лазера является его спектральная чистота, которая излучает только один цвет или частоту света. Сегодня достижение сверхмалошумящего и стабильного света, необходимого для этих приложений, зависит от громоздких и дорогих настольных лазерных систем, предназначенных для генерации и управления фотонами в узком спектральном диапазоне.

Но что, если эти атомарные приложения смогут выйти за пределы лаборатории и рабочего стола? Такова концепция исследования в лаборатории профессора инженерного дела Дэниела Блюменталя из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, чья команда работает над повторением характеристик этих высокоточных лазеров в легком портативном устройстве.

«Эти небольшие лазеры станут масштабируемыми лазерными решениями для практических квантовых систем, а также лазерами для портативных, полевых и космических квантовых датчиков», — сказал Андрей Исиченко, аспирант лаборатории Блюменталя. «Это будет иметь последствия для таких технологических областей, как квантовые вычисления с использованием нейтральных атомов и захваченных ионов, а также квантовых датчиков холодных атомов, таких как атомные часы и гравиметры.

В статье, опубликованной в журнале Scientific Reports, Блюменталь, Ищенко и их команда описывают разработку 780-нанометрового лазера со сверхмалой шириной линии и самоинжекцией. Исследователи говорят, что устройство размером со спичечный коробок, но требует гораздо меньших затрат и места для производства и превосходит нынешние узкополосные лазеры с длиной волны 780 нанометров.

Атомы рубидия были выбраны для лазера, поскольку они обладают хорошо известными свойствами, которые делают их пригодными для различных высокоточных применений. Их стабильность оптического перехода D2 делает их идеальными для атомных часов; атомная чувствительность также делает их популярным выбором для датчиков и физики холодных атомов. Лазеры ближнего инфракрасного диапазона обладают свойством стабилизировать атомные переходы, пропуская лазерный свет через пары атомов рубидия, которые служат атомными эталонами.

«Для улавливания лазерного света используются атомные линии перехода», — сказал Блюменталь, старший автор статьи. «Другими словами, привязывая лазер к линии атомного перехода, лазер становится более или менее свойством атомного перехода с точки зрения стабильности».

Но великолепный красный свет не может создать точный лазер. Чтобы получить идеальное качество лазера, необходимо удалить «шум». Блюменталь описывает это как камертон вместо гитарной струны. «Если вы возьмете камертоном ноту «до», вероятно, это будет идеальная нота «до», — объясняет он. «Но если вы нажмете ноту «до» на гитаре, вы сможете услышать в ней другие тона». Аналогичным образом, лазер может содержать разные частоты (цвета), создавая дополнительные «тона». Чтобы создать требуемую единственную частоту (в данном случае чистый темно-красный свет), система использует дополнительные компоненты для дальнейшего сглаживания лазерного луча. Задача исследователей состоит в том, чтобы интегрировать всю эту функциональность и производительность в один чип.

«Команда использовала коммерчески доступные лазерные диоды Фабри-Перо, волноводы с наименьшими потерями в мире (производства Blumenthal Laboratories) и резонаторы с высочайшей добротностью, все на платформе из нитрида кремния. системы — согласно их испытаниям, их устройство превзошло некоторые настольные лазеры, а также ранее заявленные интегрированные лазеры на четыре порядка.

«Значение низких значений ширины линии заключается в том, что мы можем добиться компактных лазеров, не жертвуя производительностью лазера», — объясняет Исиченко. «В некотором смысле производительность улучшилась по сравнению с традиционными лазерами, поскольку была достигнута полная интеграция в масштабе чипа. Такая ширина линий помогает нам лучше взаимодействовать с атомной системой, устранять вклад лазерного шума и, таким образом, полностью разрешать атомные сигналы в ответ на окружающую среду, которую они чувствуют, и т. д.»

Низкая ширина линии проекта — это рекордные значения основной частоты субгерца и интегральной ширины линии субкилогерца, что демонстрирует стабильность лазерной технологии и способность преодолевать внешние и внутренние шумы.

Другие преимущества технологии включают стоимость: в ней используются диоды стоимостью 50 долларов США, а производство производится с использованием экономичного и масштабируемого производственного процесса с использованием КМОП-совместимого процесса на уровне пластины, основанного на опыте производства электронных чипов. Успех этой технологии означает, что эти высокопроизводительные, высокоточные и недорогие фотонные интегральные лазеры могут быть развернуты в различных средах как внутри, так и за пределами лаборатории, включая квантовые эксперименты, атомный расчет времени и обнаружение самых слабых сигналов, таких как ускорение силы тяжести вокруг Земли изменится.

«Вы можете разместить эти инструменты на спутниках и составить карту гравитации внутри и вокруг Земли с некоторой точностью», — сказал Блюменталь. «Вы можете почувствовать гравитационное поле вокруг Земли, чтобы измерить повышение уровня моря, изменения морского льда и землетрясения». Он добавил: «Эта технология компактна, маломощна, легка и идеально подходит для развертывания в космосе».