Для разработки и работы с передовыми квантовыми системами, атомными часами и датчиками требуются дорогостоящие высокоточные лазеры, которые поставляются со сложной конфигурацией. Не все лаборатории в мире могут себе это позволить, что ограничивает ученых в проведении ряда дорогостоящих экспериментов. В этой связи команда исследователей из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UC Santa Barbara) разработала миниатюрный, недорогой, легкий и высокоточный лазер, который может работать наравне с обычными громоздкими лазерами.
“Эти лазеры меньшего размера позволят создавать масштабируемые лазерные решения для реальных квантовых систем, а также лазеры для портативных, развертываемых в полевых условиях и космических квантовых датчиков”, - отметили исследователи лаборатории Блюменталя в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. Эта работа, согласно их убеждению, открывает путь для будущей фотонной интеграции на других атомных длинах волн и создания полностью интегрированных атомных систем. Исследователи разработали лазерное устройство размером со спичечный коробок с длиной волны излучения 780 нм, основной частотой излучения 0,74 Гц и интегральной шириной линии 864 Гц, а также с ограничением терморефракционного шума 100 Гц 2/Гц при частоте 10 кГц. Эти ширины линий более чем на порядок меньше, чем у предыдущих реализаций с фотонной интеграцией на 780 нм. Лазер состоит из диода Фабри-Перо, соединенного по краям с разветвителем на кристалле, и перестраиваемого резонатора с добротностью 90 млн, реализованного на платформе из нитрида кремния, совместимой с CMOS foundry. В лазере используются атомы рубидия, расположенные в линиях D2, - это четко определенный уровень энергии, который считается подходящим для разработки лазеров.
Сообщая о ходе разработки своей инновации, исследователи указали, что сначала они пропустили лазерный луч через пары рубидия, что позволило лазеру поглощать стабильные частоты и другие свойства атома рубидия. Это взаимодействие сделало лазер стабильным и пригодным для экспериментов с ультрахолодными атомами и высокоточных экспериментов. Следующим шагом было удаление нежелательных частот из лазера, которые создавали шум.
Обычно в настольных лазерах используются громоздкие компоненты, чтобы избавиться от шума и получить темно-красный луч, имеющий только одну частоту. Однако в данном случае исследователи создали компактный чип из нитрида кремния, на который поместили лазерный диод Фабри-Перо и вместе с ним использовали резонатор. Вместе эти компоненты генерировали когерентный свет, устраняли шумы и обеспечивали получение на выходе чистого одночастотного луча. "Мы достигаем выходной мощности в 2 МВт, коэффициента подавления побочных режимов в 36 дБ и диапазона настройки без скачков частоты в режиме 2,5 ГГц" - указали исследователи.
Ученые лаборатории Блюменталя в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре утверждают, что их лазерное устройство размером со спичечный коробок может превзойти обычные настольные лазеры с длиной волны 780 нм. Более того, ученые могут использовать лазер как внутри лаборатории, так и за ее пределами.
Ученые создали лазер с малой шириной линии. Такие лазеры известны тем, что излучают чистый, стабильный, точный и концентрированный свет на одной частоте с минимальным распространением на другие частоты. Лазеры с малой шириной линии являются важным требованием для таких приложений, как атомные часы, сенсоры и квантовые эксперименты. Однако новое лазерное устройство отличается от других лазеров с малой шириной линии тем, что оно доступно по цене (используется диод стоимостью 50 долларов), потребляет меньше энергии и имеет более практичный дизайн. “Вы можете разместить их на спутниках, чтобы составить гравитационную карту Земли и околоземного пространства с определенной степенью точности. Вы можете измерить повышение уровня моря, изменения в составе морского льда и землетрясения, ощущая гравитационные поля вокруг Земли”, - отметили исследователи.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Scientific Reports .