Scientific Reports: Технологии сверхточных лазерных измерений станут компактными

Для экспериментов, требующих сверхточных измерений и контроля над атомами — например, двухфотонных атомных часов, интерферометрических датчиков холодных атомов и квантовых затворов — предпочтительны лазеры, причем чем больше спектральной чистоты (излучение одного цвета/частоты), тем лучше.

Обычные лабораторные лазерные технологии в настоящее время достигают этого сверхнизкого уровня шума и стабильного света с помощью громоздких и дорогостоящих настольных систем, предназначенных для генерации, использования и излучения фотонов в узком спектральном диапазоне.

Но что, если бы эти атомные приложения можно было вырвать из их нынешнего заточения в лабораториях и на настольных компьютерах? Этот вопрос находится в центре внимания лаборатории профессора инженерии Университета Калифорнии в Санта-Барбаре Дэниела Блюменталя, где его команда стремится воссоздать производительность этих лазеров на легких устройствах, которые могут поместиться на вашей ладони.

Меньшие лазеры позволят создать масштабируемые лазерные решения для реальных квантовых систем, а также лазеры для портативных, развертываемых в полевых условиях и космических квантовых датчиков, — говорит Андрей Исиченко, аспирант-исследователь из лаборатории Блюменталя.

Это повлияет на такие области технологий, как квантовые вычисления с нейтральными атомами и ионами в ловушках, а также на квантовые датчики на холодных атомах, такие как атомные часы и гравиметры.

В статье, опубликованной в журнале Scientific Reports, Блюменталь, Исиченко и их команда представляют разработку в этом направлении — чиповый лазер с ультранизкой шириной линии и самоинжекцией, заблокированный на 780 нм. Это устройство размером примерно со спичечный коробок, говорят исследователи, может работать лучше, чем нынешние лазеры с узкой шириной линии 780 нм, за долю стоимости производства и пространства для их хранения.

Лассирование лазера

Атом, послуживший мотивом для разработки лазера, — рубидий, выбранный благодаря хорошо известным свойствам, которые делают его идеальным для различных высокоточных приложений. Стабильность оптического перехода D2 позволяет использовать этот атом в атомных часах; чувствительность атома также делает его популярным выбором для сенсоров и физики холодных атомов. Пропуская лазер через пар атомов рубидия в качестве атомного эталона, лазер ближнего инфракрасного диапазона может принять характеристику стабильного атомного перехода.

Вы можете использовать линии атомного перехода, чтобы закрепить лазер, — отметил Блюменталь, старший автор статьи.

Другими словами, если привязать лазер к линии атомного перехода, то он приобретает характеристики этого атомного перехода с точки зрения стабильности.

Но причудливый красный свет не делает лазер прецизионным. Чтобы получить свет нужного качества, необходимо убрать «шум». Блюменталь описывает это как настройку вилки по сравнению со струнами гитары.

Если у вас есть вилка и вы нажимаете на ноту «си», то это, скорее всего, довольно идеальная „си“, — объясняет он.

Но если вы нажмете «си» на гитаре, вы услышите другие тона». Точно так же лазеры могут включать в себя различные частоты (цвета), которые генерируют дополнительные „тона“.

Чтобы создать желаемую единственную частоту — чистый глубокий красный свет в данном случае — настольные системы включают дополнительные компоненты, чтобы еще больше успокоить лазерное излучение. Перед исследователями стояла задача интегрировать всю эту функциональность и производительность в чип.

Команда использовала комбинацию из коммерчески доступного лазерного диода Фабри-Перо, волноводов с самыми низкими потерями в мире (изготовленных в лаборатории Блюменталя), а также резонаторов с высочайшим коэффициентом качества — все это было изготовлено на платформе из нитрида кремния. Таким образом, они смогли повторить производительность громоздких настольных систем, и их устройство, согласно проведенным тестам, может превзойти некоторые настольные лазеры, а также ранее представленные интегрированные лазеры на четыре порядка по таким ключевым параметрам, как частотный шум и ширина линии.

Значение низкой ширины полосы пропускания заключается в том, что мы можем получить компактный лазер без ущерба для его производительности, — объясняет Исиченко.

В некоторых отношениях производительность улучшается по сравнению с обычными лазерами благодаря полной интеграции в масштабе чипа. Такие ширины линий помогают нам лучше взаимодействовать с атомными системами, устраняя вклад лазерного шума, чтобы полностью разрешить атомный сигнал в зависимости, например, от среды, которую они воспринимают.

Низкая ширина полосы пропускания — в рамках данного проекта это рекордно низкая фундаментальная частота ниже Гц и интегральная частота ниже КГц — свидетельствует о стабильности лазерной технологии и ее способности преодолевать шумы как от внешних, так и от внутренних источников.

Дополнительные преимущества этой технологии включают стоимость — в ней используется диод стоимостью 50 долларов, а также экономичный и масштабируемый процесс производства, созданный с использованием CMOS-совместимого процесса изготовления пластин, который заимствован из мира производства электронных чипов.

Успех этой технологии означает, что эти высокопроизводительные, точные и недорогие лазеры с фотонной интеграцией можно будет использовать в самых разных ситуациях в лаборатории и за ее пределами, включая квантовые эксперименты, атомный хронометраж и измерение самых слабых сигналов, таких как смещение гравитационного ускорения вокруг Земли.

Можно установить их на спутники, чтобы с определенной точностью составить гравитационную карту Земли и окрестностей, — говорит Блюменталь.

Вы сможете измерять повышение уровня моря, изменения в морском льду и землетрясения с помощью гравитационных полей вокруг Земли.

Компактность, низкое энергопотребление и малый вес «идеально подходят», добавил он, для технологии, которая будет развернута в космосе.

Ранее ученые передали с помощью лазера 100 терабайт за секунду.

13.12.2024