חוקרי UC סנטה ברברה פיתחו לייזר קומפקטי בעלות נמוכה המתחרה בביצועים של מערכות מעבדה. הוא משתמש באטומי Rubidium ובטכניקות שילוב שבבים מתקדמות כדי לאפשר יישומים כמו מחשוב קוונטי, שמירת זמן וחישה סביבתית, כולל מיפוי כוח משיכה מבוסס לוויין.
לייזרים חיוניים לניסויים הדורשים מדידה אטומית ובקרה אטומית במיוחד, כמו שעונים אטומיים דו-פוטונים, חיישני אינטרפרומטר קר-אטום ושערי קוונטים. המפתח ליעילותם של לייזרים הוא הטוהר הספקטרלי שלהם, שהוא פליטת אור של צבע אחד בלבד, או תדר. כיום, השגת האור האולטרה-נמוך, האור היציב הנדרש ליישומים אלה מסתמך על מערכות לייזר מגושמות ויקרות לייזר שנועדו לייצר ולנהל פוטונים בטווח ספקטרלי צר.
אבל מה אם יישומים אטומיים אלה יכולים לברוח מגבולות המעבדה והספסל? זהו המחקר המניע את החזון במעבדה של דניאל בלומנטל, פרופסור להנדסה ב- UC סנטה ברברה, שם צוותו פועל לשכפל את הביצועים של לייזרים אלה בעלי דיוק גבוה במכשירים קלים וכף יד.
אנדריי איסיצ'נקו, חוקר תואר שני במעבדה של בלומנטל, אמר: "לייזרים קטנים אלה יאפשרו פתרונות לייזר הניתנים להרחבה למערכות קוונטיות מעשיות, כמו גם לייזרים לחיישני קוונטום ניידים, פרוסים בשטח ומבוססים על חלל. "יש לכך השלכות על אזורי טכנולוגיה כמו מחשוב קוונטי באמצעות אטומים ניטרליים ויונים לכודים, כמו גם חיישני קוונטים קרים כמו שעונים אטומיים וגרבימטר."
במאמר שפורסם בכתב העת Scientific Reports, Blumenthal, Isichenko והצוות שלהם מתארים את התפתחותו של לייזר ננומומטר עם הזרקה עצמית בקנה מידה אולטרה-נמוך. החוקרים אומרים כי המכשיר, העוסק בגודל של קופסת גפרורים, יכול לעלות על לייזרים של מייל צר זרם 780- ננומטר בשבריר מעלות הייצור והמרחב.
אטומי רובידיום נבחרו עבור הלייזר מכיוון שיש להם תכונות ידועות שהופכות אותם לאידיאליים למגוון יישומים בעלי דיוק גבוה. היציבות של המעבר האופטי D2 שלהם הופכת אותם לאידיאליים לשעונים אטומיים; הרגישות של האטומים הופכת אותם גם לבחירה פופולרית לחיישנים ופיזיקה באטום קר. על ידי העברת הלייזר דרך אדים של אטומי רובידיום המשמשים התייחסות אטומית, הלייזר כמעט אינפרא אדום מקבל את התכונות של מעבר אטומי יציב.
"אתה משתמש בקו המעבר האטומי כדי ללכוד את הלייזר", אומר בלומנטל, הסופר הבכיר של העיתון. "במילים אחרות, על ידי נעילת הלייזר לקו המעבר האטומי, הלייזר פחות או יותר מקבל את המאפיינים של אותו מעבר אטומי מבחינת היציבות."
אבל נורה אדומה מפוארת לא מייצרת לייזר מדויק. כדי לקבל את האיכות האידיאלית של אור הלייזר, יש להסיר את "הרעש". בלומנטל מתאר זאת כמזלג כוונון לעומת מחרוזת גיטרה. "אם תפגע ב- C עם מזלג כוונון, זה יכול להיות C מאוד מושלם", הוא מסביר. "אבל אם אתה פוגע ב- C בגיטרה, אתה יכול לשמוע בה צלילים אחרים." באופן דומה, אור לייזר עשוי להכיל תדרים (צבעים) שונים, ויוצר "גוונים" נוספים. כדי לייצר את התדר היחיד הנדרש (במקרה זה, אור אדום עמוק טהור), המערכת משתמשת ברכיבים נוספים כדי להחליק עוד יותר את נורת הלייזר. האתגר של החוקרים היה לארוז את כל הפונקציונליות והביצועים הזו על שבב יחיד.
"הצוות השתמש בשילוב של דיודות לייזר פברי-פרוטיות הזמינות מסחרית, מדריכי הגל המפסיקים הנמוכים ביותר בעולם (שנעשו על ידי המעבדה של בלומנטל), ומהדהדים של גורמי האיכות הגבוהים ביותר, כולם מפוברקים על פלטפורמת ניטריד. המכשיר שלהם, מסוגל לשכפל את הביצועים של מערכות ספסל מגושמות -- על פי הבדיקות שלהם, כמו גם לייזרים משולבים שדווחו בעבר, על ידי ארבעה סדרי גודל במדדי מפתח כמו רעש תדרים ורעש קו.
"המשמעות של ערכי רוחב קו נמוך היא שאנחנו יכולים להשיג לייזרים קומפקטיים מבלי להקריב את ביצועי הלייזר", הסביר איסיצ'נקו. "במובנים מסוימים, הביצועים משופרים בהשוואה ללייזרים קונבנציונליים בגלל האינטגרציה המלאה בקנה מידה שבב שהושגה. רווחי קו אלה עוזרים לנו לקיים אינטראקציה טובה יותר עם המערכת האטומית, ומבטלים את התרומה של רעשי לייזר ובכך לפתור את האותות האטומיים במלואם של תגובה לסביבה שהם חשים וכו '. "
רוחב הקו הנמוך, עבור פרויקט זה, הם תת-הרט-הרץ-נמוך בסיסי ותת-קווידס משולבים תת-קוטורז, ומדגימים את יציבותה של טכנולוגיית הלייזר ויכולתם להתגבר על רעש ממקורות חיצוניים ופנימיים כאחד.
היתרונות האחרים של הטכנולוגיה כוללים עלות-IT משתמשת בסכום של $ 50 ומייצר באמצעות תהליך ייצור חסכוני וניתן להרחבה הבנוי באמצעות תהליכי סולם רקיק תואמים CMOS, הלווה מעולם ייצור השבבים האלקטרוניים. ההצלחה של טכנולוגיה זו פירושה כי לייזרים משולבים פוטוניים בעלי ביצועים גבוהים, בעלי דיוק גבוה, בעלות נמוכה, ניתן לפרוס במגוון הגדרות בתוך המעבדה ומחוצה לה, כולל ניסויים קוונטיים, תזמון אטומי וחישה בין האותות החלשים ביותר, כמו שינויים בהאצת הכבידה סביב כדור הארץ.
"אתה יכול לשים את הכלים האלה על לוויינים ולמפות את כוח המשיכה בכדור הארץ ובסביבתו ברמת דיוק מסוימת", אמר בלומנטל. "אתה יכול לחוש את שדה הכבידה סביב כדור הארץ כדי למדוד את עליית מפלס הים, שינויים בקרח הים ורעידות אדמה." הוא הוסיף: "הטכנולוגיה הזו היא קומפקטית, בעלת כוח נמוך וקל משקל, מה שהופך אותה לאידיאלית לפריסה בחלל."
