Một nhóm các nhà nghiên cứu do Jelena Vučković, giáo sư kỹ thuật điện tại Đại học Stanford, dẫn đầu, đã đi tiên phong trong việc tích hợp tia laser đá quý titan (Ti:sapphire) trên một con chip (có thể được bơm bằng con trỏ laser màu xanh lá cây). So với bất kỳ loại laser đá quý titan nào khác hiện có, nguyên mẫu này nhỏ hơn bốn bậc độ lớn (tức là một phần mười nghìn so với bản gốc) và có giá thành thấp hơn ba bậc (tức là một phần nghìn so với bản gốc).
Laser đá quý titan, nhờ băng thông khuếch đại cao và đầu ra xung cực nhanh, không thể thiếu trong các lĩnh vực như quang học lượng tử tiên tiến, quang phổ và khoa học thần kinh. Tuy nhiên, kích thước lớn và giá cao (hàng trăm nghìn đô la mỗi chiếc), cũng như nhu cầu về các thiết bị công suất cao (mỗi chiếc được bán với giá khoảng 30 đô la,000) để bơm, đã hạn chế việc sử dụng rộng rãi chúng.
"Tại Phòng thí nghiệm Quang tử nano và Lượng tử của Stanford, chúng tôi đã tiến hành một số thí nghiệm lượng tử dựa trên các bit lượng tử spin trạng thái rắn trong các vật liệu như kim cương và cacbua silic. Thí nghiệm này chủ yếu dựa vào laser đá quý titan thương mại." Joshua Yang, nghiên cứu sinh tiến sĩ trong nhóm của Vučković, giải thích.
Ngoài việc đắt tiền, laser đá quý titan còn phức tạp và thường cần được bảo trì thường xuyên để chúng hoạt động tốt.Giáo sư. Nhóm nghiên cứu của Vučković tiến hành một số lượng lớn các thí nghiệm mà tia laser đá quý titan không có đủ thời gian sử dụng máy nên phải chia sẻ thiết bị và quản lý lịch trình thí nghiệm. Ngoài ra, do công suất cần thiết cho các thí nghiệm thấp hơn nhiều so với công suất đầu ra của laser đá quý titan thương mại, nên công suất phát ra của laser chỉ có thể bị suy giảm một vài bậc độ lớn, dẫn đến lãng phí một phần lớn năng lượng laser.
Yang cho biết: “Laser sapphire titan quy mô chip, do chi phí thấp, nhỏ gọn và ổn định, có thể thay thế các hệ thống laser đá quý titan thương mại hiện đang được sử dụng cho các thí nghiệm chính xác của chúng tôi”.
Hình 1: Laser đá quý titan ở quy mô chip được phát triển bởi nhóm nghiên cứu của Giáo sư Jelena Vučković. Tia laser nằm theo đường chéo trên một viên đá quý titan, cả hai đều nằm trên một phần tư.
Thiết kế laze thông minh
Laser quy mô chip do nhóm nghiên cứu phát triển bao gồm hai phần chính: ống dẫn sóng và bộ cộng hưởng vòng.
Một lớp đá quý titan được đặt trên chất nền silicon dioxide (SiO2), sau đó chất nền này được đặt trên tinh thể sapphire. Lớp đá quý titan được mài, khắc và đánh bóng đến độ dày chỉ vài trăm nanomet. Sau đó, nó được tạo hình bằng một ống dẫn sóng, hoạt động như một dòng xoáy gồm những đường vân nhỏ dẫn hướng ánh sáng khi truyền qua nó.
Một lò sưởi thu nhỏ được sử dụng để làm nóng ống dẫn sóng, làm thay đổi chiết suất của ống dẫn sóng và tốc độ ánh sáng truyền qua ống dẫn sóng, sao cho bước sóng đầu ra có thể được điều chỉnh trong một phạm vi bước sóng, từ đỏ đến hồng ngoại (hiện có thể điều chỉnh được). đến 60nm).
"Ống dẫn sóng hình xoắn ốc tương đương với bộ khuếch đại cho tia laser và công suất tăng lên khi tia laser đi qua." Yang giải thích: “Bộ cộng hưởng vòng vừa đóng vai trò như một bộ lọc để điều chỉnh bước sóng của tia laser thông qua bộ gia nhiệt vi mô, vừa đóng vai trò là một khoang cộng hưởng cho tia laser - hoạt động như một đường tuần hoàn để truyền tia laser”.
Hình 2: Hình ảnh quang học của bộ khuếch đại ống dẫn sóng bằng đá quý titan có kích thước 0,5mm x 0,5mm.
Những thách thức đối với laser đá quý titan ở quy mô chip
Khó khăn lớn nhất với laser đá quý titan là chúng yêu cầu bơm cường độ cao để hoạt động. Bằng cách hiện thực hóa công nghệ laser đá quý titan thông qua ống dẫn sóng có độ chính xác cao, nhóm nghiên cứu đã đạt được hai bước đột phá quan trọng:
Đầu tiên, vì cường độ bơm được chia theo công suất theo diện tích nên việc sử dụng ống dẫn sóng quang học bằng đá quý titan làm giảm đáng kể diện tích bơm. "Điều này có nghĩa là chỉ cần ít năng lượng hơn (ít hơn khoảng 1000 lần) để đạt được cường độ bơm tương tự như cường độ bơm của hệ thống đá quý titan thương mại." Yang giải thích: “Vì vậy, ngay cả một tia laser bán dẫn ánh sáng xanh rẻ tiền cũng đủ mạnh để bơm tia laser ở quy mô chip này”.
Thứ hai, tia laser đá quý titan được tích hợp vào chip. "Laser sapphire ở quy mô chip (không có nhiều bộ phận chuyển động hơn) có khả năng thu nhỏ, khả năng mở rộng và độ bền mà các tia laser thương mại dành cho sản xuất chất bán dẫn ở cấp độ wafer quy mô lớn không thể so sánh được." Yang nói thêm.
Đối với Yang, điểm nổi bật của công việc này là việc sử dụng tia laser đá quý titan ở quy mô chip này cho các thí nghiệm lượng tử. Ông nói: “Thật ngạc nhiên khi thấy thiết bị nhỏ bé này thay thế hệ thống laser thương mại cồng kềnh trong một thí nghiệm điện động lực học lượng tử khoang (QED) phức tạp. Bởi vì laser ở quy mô chip mà chúng tôi đã phát triển thực sự rất đặc biệt”.
Một trong những thách thức mà nhóm nghiên cứu của Vučković phải vượt qua để làm cho tia laser đá quý titan ở quy mô chip thực sự có thể sử dụng được cho các thí nghiệm lượng tử là tối ưu hóa khả năng ghép của nguồn bơm. Yang cho biết: “Đối với các thí nghiệm, tia laser được bơm qua một đường ánh sáng trong không gian tự do, nhưng với công nghệ đóng gói quang tử, có thể tích hợp tia laser bán dẫn ánh sáng màu xanh lá cây làm nguồn bơm cho đá quý titan ở quy mô chip”. Bằng cách tối ưu hóa sự kết hợp của hệ thống đóng gói và nguồn bơm, có thể đạt được công suất laser cao hơn và tia laser vừa di động vừa bền bỉ."
Ứng dụng tiềm năng
Laser đá quý titan ở quy mô chip có nhiều ứng dụng, từ công nghệ lượng tử như điện toán lượng tử và đồng hồ nguyên tử đến các ứng dụng y tế như chụp cắt lớp kết hợp quang học và kính hiển vi hai photon.
Yang nói: “Hy vọng rằng công nghệ này sẽ trưởng thành và được sử dụng trong các lĩnh vực này trong vài năm tới”. Sau khi tốt nghiệp vào mùa hè này, anh ấy sẽ làm việc cho Brightlight Photonics, một công ty sẽ làm việc để tạo điều kiện thuận lợi cho việc thương mại hóa laser đá quý titan ở quy mô chip.
Hiện tại, Jelena Vučković và nhóm nghiên cứu của cô đang nghiên cứu một loại laser titan quy mô chip có chế độ khóa có thể điều chỉnh được.
Giáo sư Vučković cho biết xung laser “sẽ mở ra những cơ hội mới cho các ứng dụng laser trong công nghệ lượng tử, xử lý thông tin cổ điển và y sinh”.
