UC Santa Barbara 연구원들은 실험실 규모 시스템의 성능에 경쟁하는 작고 저비용 레이저를 개발했습니다. Rubidium 원자와 고급 칩 통합 기술을 사용하여 위성 계산, 타임 키핑 및 위성 기반 중력 매핑을 포함한 환경 감지와 같은 응용 프로그램을 가능하게합니다.
레이저는 2 광자 원자 시계, 냉간 원자 간섭계 센서 및 양자 게이트와 같은 초고전적인 원자 측정 및 제어가 필요한 실험에 필수적입니다. 레이저의 효과의 핵심은 스펙트럼 순도이며, 이는 단 하나의 색상 또는 주파수의 빛의 방출입니다. 오늘날, 이러한 애플리케이션에 필요한 초 낮은 노이즈의 안정적인 조명을 달성하는 것은 좁은 스펙트럼 범위 내에서 광자를 생성하고 관리하도록 설계된 부피가 크고 비싼 벤치 탑 레이저 시스템에 의존합니다.
그러나 이러한 원자 응용 프로그램이 실험실과 벤치 탑의 경계를 피할 수 있다면 어떨까요? 이것은 UC 산타 바바라 (UC Santa Barbara)의 공학 교수 인 Daniel Blumenthal 실험실의 비전 추진 연구입니다. 그의 팀은이 고화질 레이저의 경량 핸드 헬드 장치의 성능을 복제하기 위해 노력하고 있습니다.
Blumenthal의 Lab의 대학원 연구원 인 Andrei Isichenko는“이 작은 레이저는 실제 양자 시스템을위한 확장 가능한 레이저 솔루션과 휴대용, 현장 배치 및 우주 양자 센서를위한 레이저를 가능하게 할 것입니다. "이것은 중성 원자 및 갇힌 이온을 사용한 양자 컴퓨팅과 같은 기술 영역뿐만 아니라 원자 시계 및 중력계와 같은 콜드 아톰 양자 센서에 영향을 미칩니다."
Scientific Reports 저널에 발표 된 논문에서 Blumenthal, Isichenko 및 그들의 팀은이 방향으로 칩 스케일 초저 선폭 자체 분사 전액 780- 나노 미터 레이저의 개발에 대해 설명합니다. 연구원들은 성냥갑의 크기 인이 장치가 제조 비용 및 공간의 일부에서 전류 좁은 라인 폭 780- nm 레이저를 능가 할 수 있다고 말합니다.
Rubidium 원자는 레이저에 대해 선택되었습니다. 이들은 다양한 고정화 응용 분야에 이상적으로 알려진 잘 알려진 특성이 있기 때문입니다. D2 광학 전이의 안정성은 원자 시계에 이상적입니다. 원자의 민감도는 또한 센서와 냉수 물리학에 인기있는 선택입니다. 원자 기준으로 작용하는 루비듐 원자의 증기를 통해 레이저를 전달함으로써, 근적외선 레이저는 안정적인 원자 전이의 특성을 취합니다.
이 논문의 선임 저자 인 Blumenthal은“원자 전환 라인을 사용하여 레이저를 가두십시오. 다시 말해, 레이저를 원자 전환 라인에 고정시킴으로써 레이저는 안정성 측면에서 원자 전이의 특성을 다소 취합니다. "
그러나 멋진 붉은 빛은 정밀 레이저를 만들지 않습니다. 레이저 조명의 이상적인 품질을 얻으려면 "노이즈"를 제거해야합니다. Blumenthal은 그것을 튜닝 포크 대 기타 문자열로 묘사합니다. "튜닝 포크로 C를 쳤다면 매우 완벽한 C 일 수 있습니다."라고 그는 설명합니다. "하지만 기타에 C를 쳤다면 다른 색조를들을 수 있습니다." 마찬가지로, 레이저 라이트는 다른 주파수 (색상)를 포함하여 추가 "톤"을 생성 할 수 있습니다. 필요한 단일 주파수 (이 경우 순수한 깊은 적색광)를 생성하기 위해 시스템은 추가 구성 요소를 사용하여 레이저 표시등을 더욱 부드럽게합니다. 연구원들의 과제는이 기능과 성능을 모두 단일 칩에 포장하는 것이 었습니다.
"팀은 상업적으로 이용 가능한 Fabry-Perot Laser Diodes, 세계에서 가장 낮은 도파관 (Blumenthal의 실험실에서 만든) 및 최고 품질의 요인 공진기의 조합을 사용했습니다. 모두 실리콘 질화물 플랫폼에 제작되었습니다. 대량 벤치 탑 시스템의 성능 -- 테스트에 따라 장치는 주파수 노이즈 및 라인폭과 같은 주요 메트릭에서 4 배로 이전에보고 된 일부 벤치 탑 레이저를 능가했습니다.
Isichenko는“낮은 선폭 값의 중요성은 레이저 성능을 희생하지 않고 소형 레이저를 달성 할 수 있다는 것입니다. "어떤면에서, 성능은 달성 된 전체 칩 스케일 통합으로 인해 기존 레이저에 비해 개선됩니다. 이러한 라인폭은 원자 시스템과 더 나은 상호 작용을하여 레이저 노이즈의 기여를 제거하고 원자 신호를 완전히 해결하는 데 도움이됩니다. 그들이 이해하는 환경에 대한 반응 등 "
이 프로젝트의 낮은 라인폭은 레코드 하위 Hertz 기본 및 하위 킬로 헤르츠 통합 라인폭으로, 레이저 기술의 안정성과 외부 및 내부 소스의 소음을 극복 할 수있는 능력을 보여줍니다.
이 기술의 다른 장점으로는 Cost-IT가 $ 50 다이오드를 사용하고 CMOS 호환 웨이퍼 스케일 프로세스를 사용하여 전자 칩 제조의 세계에서 차용하는 비용 효율적이고 확장 가능한 제조 공정을 사용하여 제작됩니다. 이 기술의 성공은 이러한 고성능, 고분비, 저렴한 광자 통합 레이저를 양자 실험, 원자 타이밍 및 가장 약한 신호 감지를 포함하여 실험실 내부 및 외부의 다양한 환경에 배치 할 수 있음을 의미합니다. 지구 주변의 중력 가속도의 변화와 같은.
Blumenthal은“이 악기를 위성에 넣고 지구 내와 주변의 중력을 약간 정확하게 넣을 수있다”고 말했다. "해수면 상승, 해빙의 변화 및 지진을 측정하기 위해 지구 주변의 중력장을 느낄 수 있습니다." 그는 다음과 같이 덧붙였다. "이 기술은 작고 저전력 및 가벼운 가벼워서 우주 배포에 이상적입니다."
