Τα λέιζερ έχουν φέρει επανάσταση στον κόσμο από τη δεκαετία του 1960 και είναι πλέον απαραίτητα εργαλεία για σύγχρονες εφαρμογές που κυμαίνονται από τις χειρουργικές επεμβάσεις αιχμής και την κατασκευή ακριβείας έως τη μετάδοση δεδομένων με οπτικές ίνες.
Αλλά καθώς η ζήτηση για εφαρμογές λέιζερ αυξάνεται, τόσο αυξάνονται οι προκλήσεις. Για παράδειγμα, υπάρχει μια αυξανόμενη αγορά για λέιζερ ινών, τα οποία χρησιμοποιούνται πλέον κυρίως σε βιομηχανικές εφαρμογές κοπής, συγκόλλησης και σήμανσης.
Τα λέιζερ ινών χρησιμοποιούν οπτικές ίνες εμποτισμένες με στοιχεία σπάνιων γαιών (έρβιο, υττέρβιο, νεοδύμιο κ.λπ.) ως πηγή οπτικού κέρδους (το τμήμα που παράγει το φως λέιζερ). Τα λέιζερ ινών εκπέμπουν δέσμες υψηλής ποιότητας με υψηλή ισχύ εξόδου, υψηλή απόδοση, χαμηλή συντήρηση, ανθεκτικότητα και είναι συνήθως μικρότερες από τα λέιζερ αερίου. Τα λέιζερ ινών είναι επίσης το "χρυσό πρότυπο" για το χαμηλό θόρυβο φάσης, πράγμα που σημαίνει ότι οι δέσμες τους μπορούν να είναι σταθερές για μεγάλες χρονικές περιόδους.
Παρόλα αυτά, υπάρχει μια αυξανόμενη ζήτηση για σμίκρυνση λέιζερ ινών κλίμακας τσιπ. Τα λέιζερ ινών με βάση το έρβιο παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον επειδή πληρούν όλες τις απαιτήσεις για τη διατήρηση της συνοχής και της σταθερότητας του λέιζερ σε υψηλά επίπεδα. Ωστόσο, ο τρόπος διατήρησης της απόδοσης των λέιζερ ινών σε μικρές κλίμακες ήταν μια πρόκληση για τα λέιζερ μικροσκοπικών ινών.
Τώρα, οι επιστήμονες με επικεφαλής τον Δρ. Yang Liu και τον καθηγητή Tobias Kippenberg στο EPFL κατασκεύασαν τα πρώτα λέιζερ κυματοδηγών ενσωματωμένα σε έρβιο, με απόδοση κοντά σε αυτή των λέιζερ ινών, ενώ συνδυάζουν τη χρησιμότητα του συντονισμού ευρέος μήκους κύματος και της φωτονικής κλίμακας τσιπ. ενσωμάτωση. Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο Nature Photonics.
Κατασκευή λέιζερ κλίμακας τσιπ
Οι ερευνητές ανέπτυξαν λέιζερ ερβίου σε κλίμακα τσιπ χρησιμοποιώντας διαδικασίες κατασκευής αιχμής. Κατασκεύασαν αρχικά μια οπτική κοιλότητα στο τσιπ μήκους ενός μέτρου (ένα σύνολο κατόπτρων που παρέχουν οπτική ανάδραση) βασισμένη σε ένα φωτονικό ολοκληρωμένο κύκλωμα νιτριδίου του πυριτίου εξαιρετικά χαμηλών απωλειών.
Ο Δρ Yang Liu είπε: "Παρά το συμπαγές μέγεθος τσιπ, μπορέσαμε να σχεδιάσουμε την κοιλότητα του λέιζερ ώστε να έχει μήκος ένα μέτρο χάρη στην ενσωμάτωση αυτών των συντονιστών μικροβίων, που επεκτείνουν αποτελεσματικά την οπτική διαδρομή χωρίς να μεγεθύνουν φυσικά τη συσκευή."
Στη συνέχεια, η ομάδα εμφύτευσε μια υψηλή συγκέντρωση ιόντων ερβίου στο κύκλωμα για να δημιουργήσει επιλεκτικά το ενεργό μέσο κέρδους που απαιτείται για το lasing. Τέλος, ενσωμάτωσαν το κύκλωμα με ένα λέιζερ αντλίας ημιαγωγών της ομάδας III-V για να διεγείρουν τα ιόντα ερβίου να εκπέμπουν φως και να παράγουν μια δέσμη λέιζερ.
Για να βελτιώσουν την απόδοση του λέιζερ και να επιτύχουν ακριβή έλεγχο μήκους κύματος, οι ερευνητές επινόησαν έναν καινοτόμο σχεδιασμό ενδοκοιλότητας που διαθέτει ένα μικροπορώδες φίλτρο με βάση τον Vernier, ένα οπτικό φίλτρο που επιτρέπει την επιλογή μιας συγκεκριμένης οπτικής συχνότητας.
Αυτό το φίλτρο επιτρέπει δυναμικό συντονισμό του μήκους κύματος λέιζερ σε ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος, καθιστώντας το ευέλικτο και κατάλληλο για μεγάλη ποικιλία εφαρμογών. Αυτός ο σχεδιασμός υποστηρίζει σταθερά λέιζερ απλής λειτουργίας με εντυπωσιακά στενό εσωτερικό πλάτος γραμμής μόνο 50 Hz.
Διαθέτει επίσης σημαντική καταστολή πλευρικής λειτουργίας, όπου το λέιζερ είναι σε θέση να εκπέμπει φως σε μια ενιαία, σταθερή συχνότητα, ενώ ελαχιστοποιεί την ένταση άλλων συχνοτήτων ("πλευρικές λειτουργίες"). Αυτό εξασφαλίζει "καθαρή" και σταθερή έξοδο σε όλο το φασματικό εύρος για εφαρμογές υψηλής ακρίβειας.
Οπτική εικόνα ενός υβριδικού ολοκληρωμένου λέιζερ που βασίζεται σε ένα φωτονικό ολοκληρωμένο κύκλωμα εμποτισμένο με έρβιο, που προσφέρει τη συνοχή ενός λέιζερ ινών και προηγουμένως ανέφικτη δυνατότητα συντονισμού συχνότητας.
Ισχύς, Ακρίβεια, Σταθερότητα και Χαμηλό Θόρυβο
Το λέιζερ ινών ερβίου σε κλίμακα τσιπ έχει ισχύ εξόδου μεγαλύτερη από 10 mW και αναλογία απόρριψης πλευρικής λειτουργίας μεγαλύτερη από 70 dB, η οποία είναι ανώτερη από πολλά συμβατικά συστήματα.
Έχει επίσης πολύ στενό πλάτος γραμμής, πράγμα που σημαίνει ότι το φως που εκπέμπει είναι πολύ καθαρό και σταθερό, κάτι που είναι σημαντικό για συνεκτικές εφαρμογές όπως η ανίχνευση, τα γυροσκόπια, το LIDAR και η μετρολογία οπτικών συχνοτήτων.
Το φίλτρο Vernier που βασίζεται σε μικροδιάφραγμα επιτρέπει στο λέιζερ να έχει δυνατότητα συντονισμού ευρείας μήκους κύματος 40 nm τόσο στη ζώνη C όσο και στη ζώνη L (το εύρος μήκους κύματος που χρησιμοποιείται για τηλεπικοινωνίες), ξεπερνώντας τα συμβατικά λέιζερ ινών τόσο στον συντονισμό όσο και στη χαμηλή φασματική ακίδα Οι μετρήσεις (οι «ακίδες» είναι ανεπιθύμητες συχνότητες), ενώ ταυτόχρονα είναι συμβατές με τις τρέχουσες διαδικασίες παραγωγής ημιαγωγών παραμένουν συμβατές.
Λέιζερ επόμενης γενιάς
Η σμίκρυνση και η ενσωμάτωση λέιζερ ινών ερβίου σε συσκευές κλίμακας τσιπ μειώνει το συνολικό κόστος τους, επιτρέποντάς τους να χρησιμοποιούνται σε φορητά, εξαιρετικά ενσωματωμένα συστήματα στις τηλεπικοινωνίες, τα ιατρικά διαγνωστικά και τα ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης.
Μπορεί επίσης να μειώσει την οπτική τεχνολογία για μια ποικιλία άλλων εφαρμογών, όπως το LIDAR, τη φωτονική μικροκυμάτων, τη σύνθεση οπτικών συχνοτήτων και τις επικοινωνίες ελεύθερου χώρου.
