UCサンタバーバラの研究者は、ラボスケールシステムのパフォーマンスに匹敵するコンパクトで低コストのレーザーを開発しました。ルビジウム原子と高度なチップ統合技術を使用して、衛星ベースの重力マッピングを含む量子コンピューティング、タイムキーピング、環境センシングなどのアプリケーションを有効にします。
レーザーは、2光子原子時計、コールドアトム干渉計センサー、量子ゲートなど、超高速の原子測定と制御を必要とする実験に不可欠です。レーザーの有効性の鍵は、そのスペクトル純度であり、これは1色または周波数のみの光の放出です。今日、これらのアプリケーションに必要な超低ノイズの安定した光を達成することは、狭いスペクトル範囲内で光子を生成および管理するように設計された、かさばる高価なベンチトップレーザーシステムに依存しています。
しかし、これらのアトミックアプリケーションがラボとベンチトップの範囲から逃れることができるとしたらどうでしょうか？これは、UCサンタバーバラのエンジニアリング教授であるダニエルブルーメンタールの研究室でのビジョンを駆動することです。彼のチームは、これらの高精度レーザーのパフォーマンスを軽量のハンドヘルドデバイスで再現するために取り組んでいます。
「これらの小さなレーザーは、実用的な量子システムのためのスケーラブルなレーザー溶液、およびポータブル、フィールドデプロイ、および宇宙ベースの量子センサー用のレーザーを可能にします」と、Blumenthalの研究室の大学院研究者であるAndrei Isichenko氏は述べています。 「これは、ニュートラル原子や閉じ込められたイオンを使用した量子コンピューティングなどのテクノロジー分野、および原子時計や重量計などのコールドアトム量子センサーに影響を与えます。」
Journal Scientific Reportsに掲載された論文では、Blumenthal、Isichenkoとそのチームは、この方向にあるチップスケールの超低ライン幅の自己注入ロック780-ナノメートルレーザーの開発について説明しています。研究者たちは、マッチボックスのサイズのデバイスが、製造コストとスペースの一部で電流の狭い線幅780- nmレーザーを上回る可能性があると言います。
ルビジウム原子は、さまざまな高精度アプリケーションに理想的なよく知られている特性があるため、レーザーに選択されました。 D2光学遷移の安定性により、原子時計に最適です。原子の感度により、センサーやコールドアトム物理学に人気のある選択肢にもなります。原子基準として機能するルビジウム原子の蒸気にレーザーを渡すことにより、近赤外レーザーは安定した原子遷移の特性を引き受けます。
「アトミック遷移ラインを使用してレーザーを閉じ込めます」と、紙の上級著者であるブルーメンタルは言います。 「言い換えれば、レーザーを原子遷移ラインにロックすることにより、レーザーは、安定性の観点からその原子遷移の特性を多かれ少なかれ採用します。」
しかし、派手な赤い光は精密レーザーになりません。レーザー光の理想的な品質を取得するには、「ノイズ」を削除する必要があります。 Blumenthalは、それをチューニングフォークとギターのひもとして説明しています。 「チューニングフォークでCを打つと、非常に完璧なCかもしれません」と彼は説明します。 「しかし、ギターでCを打つと、他のトーンが聞こえます。」同様に、レーザーライトには異なる周波数（色）が含まれている場合があり、追加の「トーン」が作成されます。必要な単一の周波数（この場合は純粋な深い赤色光）を生成するために、システムは追加のコンポーネントを使用してレーザー光をさらに滑らかにします。研究者にとっての課題は、この機能とパフォーマンスをすべて単一のチップに詰めることでした。
「チームは、市販のファブリーペロットレーザーダイオード、世界で最も低い失敗波動ガイド（Blumenthalのラボで作られた）、および最高品質の因子共振器の組み合わせを使用しました。かさばるベンチトップシステムのパフォーマンスを複製できる{--のテストによると、そのデバイスは、周波数ノイズやライン幅などの主要なメトリックで4桁のベンチトップレーザーや以前に報告された統合レーザーよりも優れていました。
「低線幅の値の重要性は、レーザー性能を犠牲にすることなくコンパクトレーザーを達成できることです」とIsichenko氏は説明しました。 「いくつかの点で、完全なチップスケール統合が達成されたため、従来のレーザーと比較してパフォーマンスが向上します。これらのライン幅は、原子システムとの相互作用を改善し、レーザーノイズの寄与を排除し、したがって、原子信号を完全に解決するのに役立ちます。彼らが感じる環境への対応など。」
このプロジェクトの低線幅は、記録的なサブハーツ基本およびサブキロハツ統合ライン幅であり、レーザーテクノロジーの安定性と外部ソースと内部ソースの両方からノイズを克服する能力を示しています。
この技術のその他の利点には、コスト-ITが50ドルのダイオードを使用し、電子チップ製造の世界から借用するCMOS互換のウェーハスケールプロセスを使用して構築される費用対効果の高いスケーラブルな製造プロセスを使用して製造されています。このテクノロジーの成功は、これらの高性能、高精度、低コストのフォトニック統合レーザーが、量子実験、原子タイミング、最も弱い信号を検知するなど、ラボの内外の両方でさまざまな設定に展開できることを意味します。地球周辺の重力加速度の変化など。
「これらの楽器を衛星に置き、地球の中と周辺の重力をある程度正確にマッピングすることができます」とBlumenthal氏は言いました。 「海抜の上昇、海氷の変化、地震を測定するために、地球周辺の重力場を感じることができます。」彼は次のように付け加えました。「このテクノロジーはコンパクトで、低電力で、軽量であるため、宇宙での展開に最適です。」
