Apžvalga Lazeriai padarė revoliuciją pasaulyje nuo septintojo dešimtmečio ir dabar yra nepakeičiamas įrankis šiuolaikinėse srityse, pradedant pažangiausia chirurgija ir preciziška gamyba, baigiant šviesolaidinio duomenų perdavimo. Tačiau augant lazerių poreikiui, kyla ir iššūkių. Pavyzdžiui, pluoštinių lazerių rinka plečiasi ir šiuo metu jie daugiausia naudojami pramoniniam pjovimui, suvirinimui ir žymėjimui. Skaiduliniuose lazeriuose kaip optinio stiprinimo terpė naudojami optiniai pluoštai, legiruoti retųjų žemių elementais (erbiu, iterbiu, neodimiu ir kt.). Skaiduliniai lazeriai gamina aukštos kokybės pluoštus, didelę išėjimo galią, didelį efektyvumą, mažas priežiūros išlaidas ir ilgaamžiškumą, ir paprastai yra mažesni nei dujiniai lazeriai. Skaiduliniai lazeriai taip pat yra „auksinis standartas“ mažo fazinio triukšmo atžvilgiu, o tai reiškia, kad jų spinduliai gali išlikti stabilūs ilgą laiką. Nepaisant to, didėja lustinių skaidulinių lazerių miniatiūrizavimo poreikis. Erbio pluošto lazeriai yra ypač įdomūs, nes atitinka visus reikalavimus, keliamus aukštai lazerio koherentiškumui ir stabilumui palaikyti. Tačiau, kaip išlaikyti nedidelio masto šviesolaidinių lazerių našumą, visada buvo iššūkis mažinant skaidulinius lazerius.
Dabar mokslininkų komanda, vadovaujama daktaro Yang Liu ir profesoriaus Tobiaso Kippenbergo iš EPFL, sukūrė pirmąjį į lustą integruotą erbiu legiruotą bangolaidinį lazerį, kuris priartėja prie skaidulinių lazerių veikimo, kartu derindamas plataus bangos ilgio suderinamumą su lustų skalės fotonikos praktiškumu. integracija. Tyrimas buvo paskelbtas Nature Photonics.
Visiškai supakuoto hibridinio integruoto erbio lazerio, pagrįsto silicio nitrido fotoniniu integruotu lustu, vaizdas, užtikrinantis skaidulinio lazerio nuoseklumą ir anksčiau nepasiektą dažnio derinimą. Šaltinis: Andrea Bancora ir Yang Liu (EPFL).
Lustinės skalės lazerio gamyba
Mokslininkai sukūrė lusto masto erbio lazerį, naudodami naujausius gamybos procesus. Pirmiausia jie sukūrė vieno metro ilgio optinę ertmę ant lusto (veidrodžių rinkinį, kuris suteikia optinį grįžtamąjį ryšį) ant itin mažo nuostolio silicio nitrido fotoninio integruoto lusto. „Nepaisant mažo lusto dydžio, mes sugebėjome suprojektuoti vieno metro ilgio lazerio ertmę dėl šių mikroskylių rezonatorių, kurie efektyviai išplečia optinį kelią, fiziškai nepadidindami įrenginio, integracijos“, – sakė dr. Yang Liu. Tada komanda į lustą implantavo didelę erbio jonų koncentraciją, kad selektyviai pagamintų aktyvią stiprinimo terpę, reikalingą lazeravimui. Galiausiai jie integravo grandinę su III-V puslaidininkiniu siurblio lazeriu, kad sužadintų erbio jonus, todėl jie skleis šviesą ir gamina lazerio spindulį.
1 pav. Hibridinis integruotas Er:Si3N4 lazeris. Šaltinis: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji ir kt., „Visiškai hibridinis integruotas erbio pagrindu pagamintas lazeris“, Nature Photonics (2024). Siekdami patobulinti lazerio veikimą ir įgalinti tikslų bangos ilgio valdymą, mokslininkai sukūrė naujovišką intraertmės dizainą, naudodami mikroporų pagrindu sukurtą Vernier filtrą – optinį filtrą, galintį pasirinkti tam tikrus šviesos dažnius. Šis filtras gali dinamiškai reguliuoti lazerio bangos ilgį plačiame diapazone, todėl jis yra universalus ir tinkamas įvairioms reikmėms. Ši konstrukcija palaiko stabilius vieno režimo lazerius, kurių vidinis linijos plotis yra tik 50 Hz.
Jis taip pat turi reikšmingą šoninio režimo slopinimą – lazeris gali skleisti šviesą vienu stabiliu dažniu, tuo pačiu sumažindamas kitų dažnių intensyvumą („šoniniai režimai“). Tai užtikrina „švarią“ ir stabilią išvestį visame spektro diapazone didelio tikslumo programoms.
2 pav. Hibridinis integruotas Er:Si3N4vernier lazeris, veikiantis vienmodžiu lazeriu. Šaltinis: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji ir kt., „Visiškai hibridinis integruotas erbio pagrindu pagamintas lazeris“, Nature Photonics (2024). Galia, tikslumas, stabilumas ir mažas triukšmas Lustinės erbio pluošto lazerio išėjimo galia yra didesnė nei 10 mW, o šoninio režimo slopinimo koeficientas yra didesnis nei 70 dB, o tai yra geresnis nei daugelio įprastų sistemų. Jis taip pat turi labai siaurą linijos plotį, o tai reiškia, kad jo skleidžiama šviesa yra labai gryna ir stabili, o tai svarbu nuoseklioms programoms, tokioms kaip jutimas, giroskopai, lidar ir optinio dažnio metrologija. Mikroskylių pagrindu sukurtas Vernier filtras suteikia lazeriui platų 40 nm bangos ilgio derinimą C ir L juostose (bangų ilgių diapazonas, naudojamas telekomunikacijoms), pranokdamas įprastus skaidulinius lazerius derinant ir žemo spektro stimulus ("spurs" yra nepageidaujami dažniai). ) ir išlieka suderinamas su dabartiniais puslaidininkių gamybos procesais.
3 pav. Plačiajuosčio ryšio lazerio bangos ilgio derinimo demonstravimas. Šaltinis: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji ir kt., „Visiškai hibridinis integruotas erbio pagrindu pagamintas lazeris“, Nature Photonics (2024). Naujos kartos lazeriai
Erbio pluošto lazerių miniatiūravimas ir integravimas į lusto mastelio įrenginius galėtų sumažinti bendras jų išlaidas, todėl jie būtų naudingi nešiojamoms, labai integruotoms telekomunikacijų, medicinos diagnostikos ir buitinės elektronikos sistemoms.
4 pav. Visiškai hibridinis integruotas lazerio triukšmo apibūdinimas ir EDWL. Šaltinis: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji ir kt., „Visiškai hibridinis integruotas erbio pagrindu pagamintas lazeris“, Nature Photonics (2024). Tai taip pat galėtų sumažinti optinę technologiją įvairioms kitoms programoms, tokioms kaip LIDAR, mikrobangų fotonika, optinio dažnio sintezė ir laisvos erdvės ryšiai. Dr. Yang Liu sako: „Šio naujojo erbiu legiruoto integruoto lazerio taikymo sritys yra praktiškai neribotos.
