Ülevaade Laserid on muutnud maailma revolutsiooniliselt alates 1960. aastatest ja on nüüd asendamatuks tööriistaks tänapäevastes rakendustes, alates tipptasemel kirurgiast ja täppistootmisest kuni fiiberoptilise andmeedastuseni. Kuid kuna nõudlus laserrakenduste järele kasvab, tekivad ka väljakutsed. Näiteks kiudlaserite turg laieneb ja neid kasutatakse praegu peamiselt tööstuslikes lõikamis-, keevitus- ja märgistamisrakendustes. Kiudlaserites kasutatakse optilise võimenduskeskkonnana haruldaste muldmetallide elementidega (erbium, ütterbium, neodüüm jne) legeeritud optilisi kiude. Kiudlaserid toodavad kvaliteetseid kiirte, suure väljundvõimsuse, kõrge efektiivsuse, madalate hoolduskulude ja vastupidavuse ning on üldiselt väiksemad kui gaasilaserid. Kiudlaserid on ka madala faasimüra "kuldstandard", mis tähendab, et nende kiired võivad püsida stabiilsena pikka aega. Sellele vaatamata kasvab nõudlus kiibiga kiudlaserite miniatuursuse järele. Erbiumil põhinevad kiudlaserid pakuvad erilist huvi, kuna need vastavad kõigile laseri kõrge koherentsuse ja stabiilsuse säilitamise nõuetele. Kiudlaserite jõudluse säilitamine väikeses mahus on aga kiudlaserite miniatuurseks muutmisel alati olnud väljakutseks.
Nüüd on teadlaste meeskond eesotsas dr Yang Liu ja professor Tobias Kippenbergiga EPFL-ist loonud esimese kiibile integreeritud erbiumiga legeeritud lainejuhtlaseri, mis läheneb kiudlaserite jõudlusele, ühendades samal ajal laia lainepikkuse häälestatavuse kiibiga fotoonilise tehnoloogia praktilisusega. integratsiooni. Uuring avaldati ajakirjas Nature Photonics.
Pilt täielikult pakendatud hübriidsest integreeritud erbiumlaserist, mis põhineb räninitriidi fotoonilisel integreeritud kiibil, mis tagab kiudlaseri koherentsuse ja varem saavutamatu sageduse häälestatavuse. Allikas: Andrea Bancora ja Yang Liu (EPFL).
Kiibiga laseri valmistamine
Teadlased töötasid välja kiibimõõtkavalise erbiumlaseri, kasutades nüüdisaegseid tootmisprotsesse. Esmalt ehitasid nad ühe meetri pikkuse kiibile jääva optilise õõnsuse (peeglite komplekt, mis annavad optilist tagasisidet) ülimadala kaoga räninitriidi fotoonilisele integreeritud kiibile. "Hoolimata kiibi väiksusest suutsime laseri õõnsuse kujundada ühe meetri pikkuseks tänu nende mikroauguresonaatorite integreerimisele, mis pikendavad tõhusalt optilist rada ilma seadet füüsiliselt suurendamata," ütles dr. Yang Liu. Seejärel implanteeris meeskond kiibi suure kontsentratsiooni erbiumi ioone, et toota selektiivselt laserimiseks vajalikku aktiivset võimenduskeskkonda. Lõpuks integreerisid nad vooluringi III-V pooljuhtpumbalaseriga, et ergutada erbiumi ioone, pannes need kiirgama valgust ja tekitama laserkiire.
Joonis 1: Integreeritud hübriidlaser Er:Si3N4. Allikas: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji jt, "Täielikult hübriidne integreeritud erbiumipõhine laser", Nature Photonics (2024). Laseri jõudluse täiustamiseks ja täpse lainepikkuse reguleerimise võimaldamiseks töötasid teadlased välja uuendusliku siseõõnsuse disaini, kasutades mikropooripõhist Vernieri filtrit, optilist filtrit, mis suudab valida konkreetseid valguse sagedusi. See filter suudab dünaamiliselt reguleerida laseri lainepikkust laias vahemikus, muutes selle mitmekülgseks ja sobivaks mitmesuguste rakenduste jaoks. See disain toetab stabiilseid ühemoodilisi lasereid, mille sisemine joonelaius on vaid 50 Hz.
Sellel on ka märkimisväärne külgrežiimi summutus – laser suudab kiirata valgust ühel stabiilsel sagedusel, minimeerides samal ajal teiste sageduste intensiivsust ("külgrežiimid"). See tagab ülitäpsete rakenduste jaoks "puhta" ja stabiilse väljundi kogu spektrivahemikus.
Joonis 2: integreeritud hübriidlaser Er:Si3N4vernier, mis töötab ühemoodilise laseriga. Allikas: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji jt, "Täielikult hübriidne integreeritud erbiumipõhine laser", Nature Photonics (2024). Võimsus, täpsus, stabiilsus ja madal müratase Kiibimõõtkavalise erbiumkiudlaseri väljundvõimsus on üle 10 mW ja külgrežiimi summutusaste on üle 70 dB, mis on parem kui paljudel tavasüsteemidel. Sellel on ka väga kitsas joonelaius, mis tähendab, et selle kiirgav valgus on väga puhas ja stabiilne, mis on oluline sidusate rakenduste jaoks, nagu sensor, güroskoobid, lidar ja optilise sagedusega metroloogia. Mikroaugul põhinev Vernier filter annab laserile laia lainepikkuse häälestatavuse 40 nm C-ribas ja L-ribas (telekommunikatsioonis kasutatav lainepikkuste vahemik), ületades häälestuses tavapäraseid kiudlasereid ja madalaid spektraalseid impulsse ("spurs" on soovimatud sagedused ), jäädes samal ajal ühilduvaks praeguste pooljuhtide tootmisprotsessidega.
Joonis 3: Laseri lainepikkuse lairiba häälestamise demonstratsioon. Allikas: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji jt, "Täielikult hübriidne integreeritud erbiumipõhine laser", Nature Photonics (2024). Järgmise põlvkonna laserid
Erbiumkiudlaserite miniaturiseerimine ja integreerimine kiibiga seadmetesse võib vähendada nende üldkulusid, muutes need kasulikuks telekommunikatsiooni, meditsiinidiagnostika ja olmeelektroonika kaasaskantavate, väga integreeritud süsteemide jaoks.
Joonis 4: Täishübriidne integreeritud lasermüra iseloomustus ja EDWL. Allikas: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji jt, "Täielikult hübriidne integreeritud erbiumipõhine laser", Nature Photonics (2024). Samuti võib see vähendada optilist tehnoloogiat mitmesuguste muude rakenduste jaoks, nagu LIDAR, mikrolainefotoonika, optilise sageduse süntees ja vaba ruumi side. Dr Yang Liu ütleb: "Selle uue erbiumiga legeeritud integreeritud laseri kasutusalad on praktiliselt piiramatud."
