تیمی از محققان به سرپرستی Jelena Vučković، استاد مهندسی برق در دانشگاه استنفورد، پیشگام ادغام لیزر سنگ قیمتی تیتانیوم (Ti:Sapphire) بر روی یک تراشه (که می تواند با یک نشانگر لیزر سبز پمپاژ شود) بوده است. در مقایسه با هر لیزر سنگ قیمتی تیتانیوم دیگری که در حال حاضر موجود است، این نمونه اولیه چهار مرتبه کوچکتر (یعنی یک ده هزارم نسخه اصلی) و سه مرتبه قدر کمتر از نظر هزینه (یعنی یک هزارم نسخه اصلی) است.
لیزرهای سنگ های قیمتی تیتانیوم، به دلیل پهنای باند بهره بالا و خروجی پالس فوق سریع، در زمینه هایی مانند اپتیک کوانتومی پیشرفته، طیف سنجی و علوم اعصاب ضروری هستند. با این حال، اندازه بزرگ و قیمت بالای آنها (هر کدام صدها هزار دلار) و همچنین نیاز به دستگاه های پرقدرت (هر کدام حدود 30 دلار فروخته می شوند000) برای پمپاژ آنها، استفاده گسترده آنها را محدود کرده است.
ما در آزمایشگاه فوتونیک نانو و کوانتومی استنفورد، چندین آزمایش کوانتومی بر اساس بیتهای کوانتومی اسپین حالت جامد در موادی مانند الماس و کاربید سیلیکون انجام دادهایم. جاشوا یانگ، دانشجوی دکترا در تیم ووچکوویچ، توضیح می دهد.
لیزرهای سنگ های قیمتی تیتانیوم علاوه بر گران بودن، پیچیده هستند و اغلب به تعمیر و نگهداری منظم نیاز دارند تا به خوبی کار کنند. تیم تحقیقاتی Vučković تعداد زیادی آزمایش را انجام می دهد که لیزرهای سنگ های قیمتی تیتانیوم زمان کافی برای ماشین ندارند و بنابراین باید تجهیزات را به اشتراک بگذارند و برنامه آزمایشی را مدیریت کنند. علاوه بر این، به دلیل اینکه توان مورد نیاز برای آزمایشها بسیار کمتر از توان خروجی لیزرهای سنگهای قیمتی تیتانیوم تجاری است، خروجی لیزر تنها با چند مرتبه بزرگی کاهش مییابد و در نتیجه بخش بزرگی از توان لیزر هدر میرود.
یانگ گفت: "لیزرهای یاقوت کبود تیتانیوم در مقیاس تراشه، به دلیل هزینه کم، فشرده بودن و پایداری، می توانند جایگزین سیستم های لیزری تجاری سنگ های قیمتی تیتانیوم شوند که در حال حاضر برای آزمایش های دقیق ما استفاده می شوند."
شکل 1: لیزر سنگ قیمتی تیتانیوم در مقیاس تراشه که توسط تیم تحقیقاتی پروفسور Jelena Vučković ساخته شده است. لیزر به صورت مورب روی یک سنگ قیمتی تیتانیومی قرار می گیرد که هر دو روی یک چهارم قرار دارند.
طراحی هوشمندانه لیزری
لیزر در مقیاس تراشه که توسط تیم توسعه داده شده است از دو بخش اصلی تشکیل شده است: یک موجبر و یک تشدید کننده حلقه.
لایه ای از سنگ های قیمتی تیتانیوم روی یک بستر دی اکسید سیلیکون (SiO2) قرار می گیرد که سپس روی یک کریستال یاقوت کبود قرار می گیرد. لایه سنگ قیمتی تیتانیوم به ضخامت چند صد نانومتر آسیاب، حکاکی و صیقل داده شده است. سپس با یک موجبر الگوبرداری شد که به عنوان گردابی از برآمدگی های کوچک عمل می کند که نور را هنگام عبور از آن هدایت می کند.
از یک بخاری مینیاتوری برای گرم کردن موجبر استفاده می شود که ضریب شکست موجبر و سرعت عبور نور از طریق موجبر را تغییر می دهد، به طوری که طول موج خروجی را می توان در طیف وسیعی از طول موج ها، از قرمز تا مادون قرمز (در حال حاضر قابل تنظیم) تنظیم کرد. تا 60 نانومتر).
موجبر مارپیچی شکل معادل تقویت کننده لیزر است و با عبور لیزر قدرت افزایش می یابد. یانگ توضیح می دهد: "رزوناتور حلقه هم به عنوان یک فیلتر برای تعدیل طول موج لیزر از طریق ریزهیترها و هم به عنوان یک حفره تشدید برای لیزر عمل می کند - به عنوان یک مسیر گردش مجدد برای انتقال لیزر عمل می کند."
شکل 2: تصویر نوری تقویت کننده موجبر سنگ های قیمتی تیتانیوم به اندازه 0.5mm x 0.5mm.
چالشهای لیزر سنگهای قیمتی تیتانیوم در مقیاس تراشه
بزرگترین مشکل لیزرهای سنگ های قیمتی تیتانیوم این است که برای کار کردن به پمپاژ با شدت بالا نیاز دارند. با تحقق فناوری لیزر سنگ های قیمتی تیتانیوم از طریق یک موجبر با دقت بالا، تیم تحقیقاتی به دو پیشرفت مهم دست یافتند:
اولاً، از آنجایی که شدت پمپاژ قدرت بر مساحت تقسیم می شود، استفاده از موجبرهای نوری سنگ های قیمتی تیتانیوم به طور قابل توجهی منطقه پمپاژ را کاهش می دهد. این بدان معناست که برای دستیابی به شدت پمپاژ مشابه با سیستمهای سنگهای قیمتی تجاری تیتانیوم، تنها به قدرت کمتری (حدود 1000 برابر کمتر) نیاز است. یانگ توضیح می دهد: «بنابراین حتی یک لیزر نیمه هادی نور سبز ارزان به اندازه کافی قدرتمند است که این لیزر در مقیاس تراشه را پمپ کند.
دوم، لیزر سنگ های قیمتی تیتانیوم بر روی تراشه یکپارچه شده است. لیزر یاقوت کبود در مقیاس تراشه (بدون قطعات متحرک بیشتر) کوچکسازی، مقیاسپذیری و دوام دارد که با لیزرهای تجاری برای تولید نیمهرساناهای سطح ویفر در مقیاس بزرگ بینظیر است. یانگ افزود.
برای یانگ، نقطه برجسته این کار استفاده از این لیزر سنگ قیمتی تیتانیوم در مقیاس تراشه برای آزمایشهای کوانتومی است. او گفت: "تعجب بزرگی بود که دیدیم این دستگاه کوچک جایگزین یک سیستم لیزری بزرگ تجاری در یک آزمایش پیچیده الکترودینامیک کوانتومی حفره (QED) می شود. زیرا لیزرهای در مقیاس تراشه که ما توسعه داده ایم واقعا استثنایی هستند."
یکی از چالشهایی که تیم تحقیقاتی ووچکوویچ برای اینکه لیزر سنگ قیمتی تیتانیوم در مقیاس تراشه را واقعاً برای آزمایشهای کوانتومی قابل استفاده کند، باید بر آن غلبه میکرد، بهینهسازی جفت شدن منبع پمپ بود. یانگ میگوید: «برای آزمایشها، لیزر از طریق یک مسیر نوری در فضای آزاد پمپ میشود، اما با فناوری بستهبندی فوتونیک، میتوان یک لیزر نیمهرسانای نور سبز را ادغام کرد که به عنوان منبع پمپ برای سنگ قیمتی تیتانیوم در مقیاس تراشه عمل میکند. لیزر با بهینه سازی کوپلینگ سیستم بسته بندی و منبع پمپ، توان خروجی لیزر بالاتری را می توان به دست آورد و لیزر هم قابل حمل و هم بادوام است.
برنامه های کاربردی بالقوه
لیزرهای سنگ های قیمتی تیتانیوم در مقیاس تراشه طیف وسیعی از کاربردها، از فناوری های کوانتومی مانند محاسبات کوانتومی و ساعت های اتمی تا کاربردهای پزشکی مانند توموگرافی انسجام نوری و میکروسکوپ دو فوتونی را دارند.
یانگ گفت: "امیدواریم این فناوری به بلوغ برسد و در چند سال آینده در این زمینه ها مورد استفاده قرار گیرد." پس از فارغ التحصیلی در تابستان امسال، او برای Brightlight Photonics کار خواهد کرد، شرکتی که برای تسهیل تجاری سازی لیزرهای سنگ های قیمتی تیتانیوم در مقیاس تراشه کار خواهد کرد.
در حال حاضر، Jelena Vučković و تیم تحقیقاتی او در حال کار بر روی یک لیزر تیتانیوم در مقیاس تراشه با حالت قفل شده هستند.
پروفسور ووچکوویچ گفت: لیزرهای پالسی "فرصت های جدیدی را برای کاربردهای لیزر در فناوری کوانتومی، پردازش اطلاعات کلاسیک و زیست پزشکی باز خواهند کرد."
