طور باحثو UC Santa Barbara ليزرًا مدمجًا منخفض التكلفة ينافس أداء الأنظمة على نطاق المختبر. يستخدم ذرات Rubidium وتقنيات تكامل الرقائق المتقدمة لتمكين التطبيقات مثل الحوسبة الكمومية ، وصيانة الوقت ، والاستشعار البيئي ، بما في ذلك رسم الخرائط القائم على الأقمار الصناعية.
الليزر لا غنى عنه للتجارب التي تتطلب القياس الذري والتحكم الذري فائقة ، مثل الساعات الذرية ثنائية الفوتون ، ومستشعرات التداخل البارد والبوابات الكمومية. مفتاح فعالية الليزر هو نقاءها الطيفي ، وهو انبعاث ضوء لون واحد فقط ، أو تردد. اليوم ، يعتمد تحقيق الإضاءة المستقرة للغاية المطلوبة لهذه التطبيقات على أنظمة الليزر الضخمة والمكلفة المصممة لإنشاء وإدارة الفوتونات ضمن نطاق طيفي ضيق.
ولكن ماذا لو كانت هذه التطبيقات الذرية يمكنها الهروب من حدود المختبر والفرق؟ هذه هي أبحاث القيادة في مختبر دانييل بلومنتال ، أستاذ الهندسة في جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا ، حيث يعمل فريقه على تكرار أداء هذه الليزر عالية الدقة في الأجهزة الخفيفة المحمولة.
وقال أندريه إيسيشينكو ، باحث دراسات عليا في مختبر بلومنتال: "ستمكّن هذه الليزر الصغيرة من حلول الليزر القابلة للتطوير للأنظمة الكمومية العملية ، وكذلك الليزر لأجهزة استشعار الكم المحمولة والمزودة بالميدان والفضاء". "سيكون لهذا آثار على مجالات التكنولوجيا مثل الحوسبة الكمومية باستخدام ذرات محايدة وأيونات محاصرة ، وكذلك أجهزة استشعار الكم الباردة مثل الساعات الذرية ومقاطع الجاذبية."
في ورقة نشرت في مجلة Scientific Reports ، يصف Blumenthal ، Isichenko وفريقهم تطوير نظام نانومتر النانومتر في هذا الاتجاه. يقول الباحثون إن الجهاز ، الذي يبلغ حجم مربع الثقاب ، يمكن أن يتفوق على الليزر الضيق الحالي 780- nm على جزء صغير من تكلفة التصنيع والمساحة.
تم اختيار ذرات روبيديوم للليزر لأن لديها خصائص معروفة تجعلها مثالية لمجموعة متنوعة من التطبيقات عالية الدقة. استقرار انتقالها البصري D2 يجعلها مثالية للساعات الذرية ؛ كما أن حساسية الذرات تجعلها خيارًا شائعًا للأجهزة الاستشعار والفيزياء الباردة. من خلال تمرير الليزر عبر بخار من ذرات روبيديوم التي تعمل كمرجع ذري ، يأخذ الليزر القريب من الأشعة تحت الحمراء خصائص انتقال ذري مستقر.
يقول بلومنتال ، المؤلف الكبير للورقة: "يمكنك استخدام خط الانتقال الذري لفخ الليزر". "بمعنى آخر ، من خلال قفل الليزر إلى خط الانتقال الذري ، يأخذ الليزر أكثر أو أقل خصائص هذا الانتقال الذري من حيث الاستقرار."
لكن الضوء الأحمر الفاخر لا يجعل ليزر الدقة. للحصول على الجودة المثالية لضوء الليزر ، يجب إزالة "الضوضاء". يصفها Blumenthal بأنها شوكة ضبط مقابل سلسلة الجيتار. "إذا ضربت C مع شوكة ضبط ، فقد يكون الأمر مثاليًا للغاية" ، كما يوضح. "ولكن إذا ضربت C على الغيتار ، يمكنك سماع نغمات أخرى فيه." وبالمثل ، قد يحتوي ضوء الليزر على ترددات مختلفة (ألوان) ، مما يخلق "نغمات إضافية". لإنتاج التردد المفرد المطلوب (في هذه الحالة ، ضوء أحمر عميق نقي) ، يستخدم النظام مكونات إضافية لزيادة تسهيل ضوء الليزر. كان التحدي الذي يواجه الباحثين هو تعبئة كل هذه الوظائف والأداء على شريحة واحدة.
"استخدم الفريق مزيجًا من الثنائيات الليزر Fabry-Perot المتوفرة تجاريًا ، وهي أدلة الموجات الأقل خسارة في العالم (صنعها مختبر Blumenthal) ، وأعلى عوامل رنانات ، وكلها ملفقة على منصة نيتريد سيليكون. قادرة على تكرار أداء أنظمة benchtop الضخمة -- وفقًا لاختباراتها ، تفوقت أجهزتهم على بعض أشعة الليزر ، بالإضافة إلى الليزر المتكامل سابقًا ، بأربعة أوامر من الحجم في المقاييس الرئيسية مثل ضوضاء التردد وعرض الخط.
"إن أهمية قيم عرض الخط المنخفضة هي أنه يمكننا تحقيق الليزر المدمج دون التضحية بأداء الليزر" ، أوضح Isichenko. "في بعض النواحي ، يتم تحسين الأداء مقارنة بالليزر التقليدي بسبب التكامل الكامل على نطاق الرقائق الذي تم تحقيقه. تساعدنا هذه الخطوط على التفاعل بشكل أفضل مع النظام الذري ، مما يلغي مساهمة ضوضاء الليزر وبالتالي حل الإشارات الذرية بالكامل في الاستجابة للبيئة التي يشعرون بها ، إلخ "
إن خطوط الخطوط المنخفضة ، لهذا المشروع ، هي سجلات خطية متكاملة من Hertz من فرع كيلو هيرتز ، مما يدل على استقرار تكنولوجيا الليزر وقدرته على التغلب على الضوضاء من المصادر الخارجية والداخلية.
تشمل المزايا الأخرى للتكنولوجيا التكلفة التي تستخدم 50 دولارًا من الثنائيات ويتم تصنيعها باستخدام عملية تصنيع فعالة من حيث التكلفة وقابلة للتطوير والتي تم تصميمها باستخدام عمليات الويفر المتوافقة مع CMOS ، والاقتراض من عالم تصنيع الرقائق الإلكترونية. إن نجاح هذه التكنولوجيا يعني أنه يمكن نشر هذه الليزر المتكاملة ذات الأداء العالي ، عالي الدقة ، منخفضة التكلفة في مجموعة متنوعة من الإعدادات داخل المختبر وخارجها ، بما في ذلك التجارب الكمومية ، والتوقيت الذري ، واستشعار الأضعف الإشارات ، مثل التغييرات في تسارع الجاذبية حول الأرض.
وقال بلومنتال: "يمكنك وضع هذه الأدوات على الأقمار الصناعية وخريطة الجاذبية في الأرض وحولها مع بعض الدقة". "يمكنك أن تشعر بالحقل الجاذبية حول الأرض لقياس ارتفاع مستوى سطح البحر ، والتغيرات في الجليد البحري ، والزلازل." وأضاف: "هذه التكنولوجيا مدمجة ، منخفضة الطاقة ، وخفيفة الوزن ، مما يجعلها مثالية للنشر في الفضاء."
