Інженери створили кишеньковий титано-сапфіровий суперлазер

За один стрибок від настільного до мікромасштабу інженери Стенфордського університету створили перший у світі практичний титан-сапфіровий лазер на мікросхемі. Дослідники розробили титано-сапфіровий лазер у масштабі чіпа, який значно менший і дешевший за традиційні моделі, що робить його доступним для ширших застосувань у квантовій оптиці, нейронауці та інших галузях. Очікується, що ця нова технологія дозволить лабораторіям мати сотні цих потужних лазерів на одному чіпі, що працює за допомогою простої зеленої лазерної вказівки.

Лазери, виготовлені з титан-сапфіра (Ti:сапфір), вважаються «незрівнянними» характеристиками. Вони незамінні в багатьох галузях, включаючи передову квантову оптику, спектроскопію та нейронауку. Але ця продуктивність має високу ціну. Титано-сапфірові лазери мають розміри порядку кубічних футів. Вони дорогі, коштують сотні тисяч доларів кожна. І їм потрібні інші потужні лазери, які самі коштують 30 000 доларів кожен, щоб постачати їх достатньо енергії для функціонування.

Прорив у лазерній технології

Як наслідок, Ti:Sapphire лазери ніколи не досягли широкого реального впровадження, на яке вони заслуговують – досі. Дослідники зі Стенфордського університету створили Ti: сапфіровий лазер на чіпі, зробивши значний стрибок у масштабах, ефективності та вартості. Прототип на чотири порядки менший (10 000 разів) і на три порядки дешевший (1 000 разів), ніж будь-який титано-сапфіровий лазер, коли-небудь виготовлений.

Революційна мініатюризація та скорочення витрат

«Це повний відхід від старої моделі», — сказала Єлена Вучковіч, професор Дженсена Хуанга з питань глобального лідерства, професор електротехніки та старший автор статті, яка представляє Ti:sapphire-лазер на основі чіпа, опублікованої в журналі Nature. . «Замість одного великого та дорогого лазера будь-яка лабораторія незабаром може мати сотні цих цінних лазерів на одному чіпі. І ви можете підживити все це за допомогою зеленої лазерної указки».

«Коли ви змінюєте настільний розмір і створюєте щось виробниче на чіпі за такою низькою ціною, ці потужні лазери стають доступними для багатьох різних важливих застосувань», — сказав Джошуа Янг, докторант у лабораторії Вучковича та один із перших автор дослідження разом із колегами Вучковича з лабораторії нанорозміру та квантової фотоніки, інженером-дослідником Каспером Ван Гассе та докторантом Даніїлом М. Лукіним.

Технічні переваги та потенціал масового виробництва

З технічної точки зору Ti: сапфірові лазери такі цінні, тому що вони мають найбільшу «смугу посилення» з усіх лазерних кристалів, пояснив Ян. Простіше кажучи, пропускна здатність підсилення означає ширший діапазон кольорів, який може створювати лазер порівняно з іншими лазерами. Він також надшвидкий, сказав Ян. Імпульси світла виходять кожну квадрильйонну частку секунди.

Але Ti: сапфірові лазери також важко знайти. Навіть лабораторія Вучковича, яка проводить передові експерименти з квантової оптики, має лише кілька таких цінних лазерів, якими можна поділитися. Новий Ti: сапфіровий лазер встановлюється на чіп, розмір якого вимірюється в квадратних міліметрах. Якщо дослідники зможуть масово виробляти їх на пластинах, потенційно тисячі, можливо, десятки тисяч титано-сапфірових лазерів можна буде втиснути на диск, який поміщається на долоні людини.

«Чіп – це легко. Він портативний. Це недорого і це ефективно. Немає рухомих частин. І його можна масово виробляти», — сказав Ян. «Що не подобається? Це демократизує Ti: сапфірові лазери».

Інновації у виробництві

Щоб створити новий лазер, дослідники почали з об’ємного шару титано-сапфіру на платформі з діоксиду кремнію (SiO ₂ ), причому всі вони розташовані поверх справжнього сапфірового скла. Потім вони шліфують, травлять і полірують Ti:сапфір до надзвичайно тонкого шару, товщиною всього кілька сотень нанометрів. У цьому тонкому шарі вони потім формують закручений вихор крихітних хребтів. Ці хребти схожі на волоконно-оптичні кабелі, направляючи світло кругом і навколо, посилюючи інтенсивність. Насправді візерунок відомий як хвилевід.

«З математичної точки зору інтенсивність — це потужність, поділена на площу. Отже, якщо ви підтримуєте таку саму потужність, як у великомасштабного лазера, але зменшуєте площу, в якій він зосереджений, інтенсивність стає зашкалюючою», — каже Ян. «Малий масштаб нашого лазера насправді допомагає нам зробити його ефективнішим».

Частиною головоломки, що залишилася, є мікромасштабний нагрівач, який нагріває світло, що проходить через хвилеводи, дозволяючи команді Вучковича змінювати довжину хвилі випромінюваного світла, щоб налаштувати колір світла в діапазоні від 700 до 1000 нанометрів – від червоного до інфрачервоного. .

Застосування та майбутні перспективи

Вукович, Янг та їхні колеги найбільше в захваті від діапазону полів, на які може впливати такий лазер. У квантовій фізиці новий лазер є недорогим і практичним рішенням, яке може значно зменшити масштаб сучасних квантових комп’ютерів. У нейронауці дослідники можуть передбачити негайне застосування в оптогенетиці, галузі, яка дозволяє вченим контролювати нейрони за допомогою світла, що направляється всередині мозку відносно громіздким оптичним волокном. Малі лазери, за їх словами, можуть бути інтегровані в більш компактні зонди, що відкриває нові експериментальні шляхи. В офтальмології він може знайти нове застосування разом з удостоєним Нобелівської премії підсиленням чирпованих імпульсів у лазерній хірургії або запропонувати менш дорогі, більш компактні технології оптичної когерентної томографії, які використовуються для оцінки стану сітківки.

Далі команда працює над удосконаленням свого титано-сапфірового лазера в масштабі чіпа та над тим, щоб масово виробляти їх тисячі за один раз на пластинах. Ян отримає докторський ступінь цього літа на основі цього дослідження та працює над виведенням технології на ринок.

«Ми могли б розмістити тисячі лазерів на одній 4-дюймовій пластині», — каже Ян. «Тоді вартість одного лазера стає майже нульовою. Це дуже захоплююче».