手掌大小的雷射打破了實驗室界限可運用於量子運算、遙感衛星等多個領域
加州大學聖塔芭芭拉分校的研究人員開發出一種結構緊湊、成本低廉的雷射器，其性能可與實驗室規模的系統相媲美。 它利用銣原子和先進的晶片整合技術，實現了量子運算、計時和環境感測（包括基於衛星的重力測繪）等應用。
Andrei Isichenko 手持超高品質的環形諧振器（左），它可以幫助將商用法布里-珀羅雷射二極體（右）發出的”粗”光轉變為低線寬雷射。 資料來源：加州大學聖塔芭芭拉分校Sonia Fernandez
對於需要超精密原子測量和控制的實驗，例如雙光子原子鐘、冷原子乾涉儀感測器和量子閘，雷射是不可或缺的。 雷射之所以有效，關鍵在於其光譜純度，即只發射一種顏色或頻率的光。 如今，要實現這些應用所需的超低雜訊、穩定的光，必須依賴笨重而昂貴的桌上型雷射系統，該系統旨在產生和管理窄光譜範圍內的光子。
但是，如果這些原子應用能夠擺脫實驗室和桌上型電腦的束縛呢？ 這是推動加州大學聖塔芭芭拉分校工程學教授丹尼爾-布盧門撒爾（Daniel Blumenthal）實驗室研究的願景，他的團隊正在努力將這些高精度雷射的性能複製到輕便的手持設備中。
布盧門撒爾實驗室的研究生研究員安德烈-伊西琴科（Andrei Isichenko）說：”這些小型雷射將為實際量子系統以及便攜式、現場部署和天基量子感測器的雷射器提供可擴展的雷射解決方案。
在Scientific Reports雜誌上發表的一篇論文中，Blumenthal、Isichenko和他們的團隊介紹了晶片級超低線寬自註入鎖定780奈米雷射在這一方向上的發展。 研究人員表示，這種大約火柴盒大小的設備可以比目前的窄線寬780 nm 雷射器發揮更好的性能，而製造成本和容納空間卻只有它們的一小部分。
之所以選擇銣原子作為雷射器的開發對象，是因為銣原子具有眾所周知的特性，是各種高精度應用的理想選擇。 其D2 光學轉變的穩定性使其非常適合原子鐘；原子的靈敏度也使其成為感測器和冷原子物理的熱門選擇。 將雷射穿過作為原子基準的銣原子蒸汽，近紅外線雷射就能呈現穩定原子轉變的特性。
論文的資深作者布盧門撒爾指出：”利用原子轉變線來套住激光。換句話說，通過將激光鎖定在原子轉變線上，激光在穩定性方面或多或少會具有該原子轉變的特性。
但是，花俏的紅光並不能製造出精密的雷射。 要獲得理想品質的激光，必須去除”噪音”。 Blumenthal 將其描述為音叉與吉他弦的對比。他解釋說：”如果你用音叉敲出一個C 音，這可能是一個非常完美的C 音。”但如果你在吉他上彈出一個C 音，你就能在其中聽到其他音調。 同樣，雷射也可能包含不同的頻率（顏色），從而產生額外的”音調”。 為了產生所需的單一頻率（在本例中為純深紅色光），該系統採用了額外的組件來進一步平緩雷射。 研究人員面臨的挑戰是將所有這些功能和性能整合到一個晶片上。 “
研究團隊結合使用了市場上銷售的法布里-珀羅雷射二極體、世界上損耗最低的波導（由布盧門塔爾實驗室製造）以及最高品質的因子諧振器，所有這些都是在氮化矽平台上製造的。 透過這樣做，他們能夠複製笨重的桌上型系統的性能–根據他們的測試，他們的設備在頻率噪聲和線寬等關鍵指標上比某些台式激光器以及之前報道的集成激光器高出四個數量級。
Isichenko 解釋說：”低線寬值的意義在於，我們可以在不犧牲激光器性能的情況下實現緊湊型激光器。在某些方面，由於實現了全芯片級集成，與傳統激光器相比，性能得到了提高。
低線寬就本專案而言，是創紀錄低的亞赫茲基本線寬和亞千赫積分線寬，這表明了雷射技術的穩定性和克服來自外部和內部噪音的能力。
這項技術的其他優勢還包括成本–它使用的是50 美元的二極管，並採用了一種具有成本效益且可擴展的製造工藝，這種工藝是利用與CMOS 兼容的晶圓級工藝製造的，它藉鑒了電子晶片製造領域的經驗。這項技術的成功意味著可以在實驗室內外的各種場合部署這些高性能、高精度、低成本的光子集成雷射器，包括量子實驗、原子計時和感應最微弱的信號，如地球周圍重力加速度的變化。
Blumenthal說：”可以把這些儀器放在衛星上，以一定的精度繪製地球和地球周圍的重力地圖。透過感應地球周圍的引力場來測量海平面的上升、海冰的變化和地震。”他補充說，這種技術結構緊湊、功耗低、重量輕，”非常適合”在太空中部署。
編譯自/ ScitechDaily