بررسی اجمالی لیزرها از دهه 1960 جهان را متحول کردند و اکنون ابزاری ضروری در کاربردهای مدرن هستند، از جراحی پیشرفته و ساخت دقیق تا انتقال داده با فیبر نوری. با این حال، با افزایش تقاضا برای کاربردهای لیزر، چالش‌هایی نیز به وجود می‌آیند. به عنوان مثال، بازار لیزرهای فیبر در حال گسترش است و در حال حاضر عمدتاً در کاربردهای صنعتی برش، جوشکاری و علامت گذاری استفاده می شود. لیزرهای فیبر از فیبرهای نوری دوپ شده با عناصر خاکی کمیاب (اربیوم، ایتربیوم، نئودیمیم و غیره) به عنوان محیط بهره نوری استفاده می کنند. لیزرهای فیبر پرتوهای باکیفیت، توان خروجی بالا، راندمان بالا، هزینه های نگهداری کم و دوام تولید می کنند و به طور کلی کوچکتر از لیزرهای گازی هستند. لیزرهای فیبر همچنین "استاندارد طلایی" برای نویز فاز پایین هستند، به این معنی که پرتوهای آنها می توانند برای مدت طولانی پایدار بمانند. با وجود این، تقاضای فزاینده ای برای کوچک سازی لیزرهای فیبر در مقیاس تراشه وجود دارد. لیزرهای فیبر مبتنی بر اربیوم از اهمیت ویژه ای برخوردار هستند زیرا تمام الزامات برای حفظ انسجام و پایداری لیزر را برآورده می کنند. با این حال، چگونگی حفظ عملکرد لیزرهای فیبر در مقیاس کوچک همیشه یک چالش برای کوچک کردن لیزرهای فیبر بوده است.
اکنون، تیمی از دانشمندان به سرپرستی دکتر یانگ لیو و پروفسور توبیاس کیپنبرگ در EPFL، اولین لیزر موجبر القا شده با اربیوم یکپارچه را ایجاد کرده اند که عملکرد لیزرهای فیبر را در حالی که قابلیت تنظیم طول موج گسترده را با عملی بودن فوتونیک در مقیاس تراشه ترکیب می کند، ایجاد کرده اند. ادغام. این مطالعه در Nature Photonics منتشر شد.
تصویر یک لیزر اربیوم یکپارچه هیبریدی کاملاً بسته بندی شده بر اساس یک تراشه فوتونیک یکپارچه نیترید سیلیکون، که انسجام لیزر فیبر و قابلیت تنظیم فرکانس پیش از این دست نیافتنی را فراهم می کند. منبع: آندریا بانکورا و یانگ لیو (EPFL).
ساخت لیزر در مقیاس تراشه
محققان یک لیزر اربیوم در مقیاس تراشه را با استفاده از فرآیندهای ساخت پیشرفته توسعه دادند. آنها ابتدا یک حفره نوری روی تراشه به طول یک متر (مجموعه ای از آینه ها که بازخورد نوری را ارائه می دهند) روی یک تراشه فوتونی یکپارچه نیترید سیلیکون با تلفات بسیار کم ساختند. دکتر دکتر گفت: علیرغم اندازه کوچک تراشه، ما توانستیم حفره لیزر را به طول یک متر طراحی کنیم، به لطف ادغام این تشدید کننده های ریز سوراخ، که به طور موثر مسیر نوری را بدون بزرگ کردن فیزیکی دستگاه گسترش می دهند. یانگ لیو. سپس این تیم غلظت بالایی از یون‌های اربیوم را در تراشه کاشت تا به طور انتخابی محیط بهره فعال مورد نیاز برای لیزر را تولید کند. در نهایت، آنها مدار را با یک لیزر پمپ نیمه هادی III-V یکپارچه کردند تا یون های اربیوم را تحریک کند و باعث شود آنها نور ساطع کنند و یک پرتو لیزر تولید کنند.
شکل 1: لیزر ترکیبی Er:Si3N4. منبع: یانگ لیو، ژرو کیو، سینرو جی و همکاران، "یک لیزر کاملا ترکیبی مبتنی بر اربیوم"، Nature Photonics (2024). برای بهبود عملکرد لیزر و فعال کردن کنترل دقیق طول موج، محققان یک طراحی ابتکاری درون حفره ای با استفاده از فیلتر Vernier مبتنی بر میکرو منافذ، یک فیلتر نوری که قادر به انتخاب فرکانس های نور خاص است، ابداع کردند. این فیلتر می تواند به صورت پویا طول موج لیزر را در محدوده وسیعی تنظیم کند و آن را همه کاره و برای کاربردهای مختلف مناسب کند. این طراحی از لیزرهای تک حالته پایدار با پهنای خط ذاتی تنها 50 هرتز پشتیبانی می کند.
همچنین دارای سرکوب حالت جانبی قابل توجهی است - لیزر قادر است نور را در یک فرکانس ثابت و واحد ساطع کند در حالی که شدت فرکانس های دیگر را به حداقل می رساند ("حالت های جانبی"). این خروجی "تمیز" و پایدار را در کل محدوده طیفی برای کاربردهای با دقت بالا تضمین می کند.
شکل 2: لیزر ترکیبی Er:Si3N4vernier که در لیزر تک حالته کار می کند. منبع: یانگ لیو، ژرو کیو، سینرو جی و همکاران، "یک لیزر کاملا ترکیبی مبتنی بر اربیوم"، Nature Photonics (2024). قدرت، دقت، پایداری و نویز کم لیزر فیبر اربیوم در مقیاس تراشه دارای توان خروجی بیش از 10 مگاوات و نسبت سرکوب حالت جانبی بیش از 70 دسی بل است که بهتر از بسیاری از سیستم‌های معمولی است. همچنین دارای پهنای خط بسیار باریکی است، به این معنی که نوری که ساطع می‌کند بسیار خالص و پایدار است، که برای کاربردهای منسجمی مانند حسگر، ژیروسکوپ، لیدار و مترولوژی فرکانس نوری مهم است. فیلتر ورنیه مبتنی بر میکروچاله به لیزر قابلیت تنظیم طول موج گسترده 40 نانومتر در باند C و باند L (محدوده طول موج مورد استفاده برای ارتباطات راه دور) می دهد که از لیزرهای فیبر معمولی در تنظیم و اسپرزهای طیفی پایین («خارها» فرکانس های ناخواسته هستند پیشی می گیرد. ) در حالی که با فرآیندهای فعلی تولید نیمه هادی سازگار است.
شکل 3: نمایش تنظیم پهنای باند طول موج لیزر. منبع: Yang Liu، Zheru Qiu، Xinru Ji، و همکاران، "یک لیزر کاملا ترکیبی مبتنی بر اربیوم"، Nature Photonics (2024). لیزرهای نسل بعدی
کوچک کردن و ادغام لیزرهای فیبر اربیوم در دستگاه‌های در مقیاس تراشه می‌تواند هزینه کلی آنها را کاهش دهد و آنها را برای سیستم‌های قابل حمل و یکپارچه در مخابرات، تشخیص پزشکی و لوازم الکترونیکی مصرفی مفید کند.
شکل 4: خصوصیات نویز لیزری یکپارچه کاملاً ترکیبی و EDWL. منبع: یانگ لیو، ژرو کیو، سینرو جی و همکاران، "یک لیزر کاملا ترکیبی مبتنی بر اربیوم"، Nature Photonics (2024). همچنین می‌تواند فناوری نوری را برای کاربردهای مختلف مانند LIDAR، فوتونیک مایکروویو، سنتز فرکانس نوری و ارتباطات فضای آزاد کاهش دهد. دکتر یانگ لیو می گوید: "مناطق کاربردی برای این لیزر یکپارچه جدید دوپ شده با اربیوم عملا بی حد و حصر است."
