Az UC Santa Barbara kutatói kifejlesztettek egy kompakt, alacsony költségű lézert

Az UC Santa Barbara (UCSB) kutatói egy új, kompakt és költséghatékony lézert fejlesztettek ki, amely teljesítményével felér a laboratóriumi rendszerek által biztosítottakkal. A kutatás során rubídiumatomokat és fejlett chip-integrációs technológiát alkalmaztak, lehetővé téve ezzel olyan alkalmazásokat, mint a kvantumszámítástechnika, az időmérés és a környezeti érzékelés, beleértve a műholdas alapú gravitációs térképzést is.

Innovatív megoldások az atomfizikában

A pontos atommérésekhez és ellenőrzéshez, mint például a kétfotonos atomórák, hidegatom-interferométer érzékelők és kvantumkapuk, elengedhetetlenek a lézerek. Hatékonyságuk kulcsa a spektrális tisztaságban rejlik, azaz abban, hogy a lézerek egyszínű vagy egyetlen frekvenciájú fényt bocsátanak ki. Jelenleg az ultra-alacsony zajszintű, stabil fény eléréséhez nagy és költséges asztali lézerrendszerek szükségesek, amelyek célja a fotonok generálása és kezelése egy szűk spektrális tartományban.

Ugyanakkor a UCSB mérnöki professzora, Daniel Blumenthal kutatócsoportjának célja, hogy ezeket az atomfizikai alkalmazásokat kiszabadítsák a laboratóriumok szigorú kereteiből, és könnyen hordozható eszközök formájában érhetők legyenek el.

A projekt céljai és új lehetőségek

A kutatás egyik fő célja, hogy a kisebb lézerek lehetővé tegyék a kvantumrendszerek valódi skálázhatóságát, valamint hordozható, terepen használható és űrben alkalmazható kvantumérzékelőket kínáljanak. Andrei Isichenko, a kutatócsoport egyik graduális hallgatója elmondta: „Ezek a kisebb lézerek lehetővé teszik olyan kvantumtechnológiák fejlődését, mint a semleges atomokkal és csapdába ejtett ionokkal végzett kvantumszámítás, valamint a hideg atomos kvantumérzékelők.”

Egy nemrégiben megjelent tanulmányban a kutatócsoport előterjesztette chip-alapú ultra-alacsony vonalszélességű ön-injekcióval zárt 780 nm-es lézer fejlesztését, amely a csapat elmondása szerint a jelenlegi, szűk vonalszélességű 780 nm-es lézerek, valamint az eddig jelentett integrált lézerek teljesítményét meghaladja, és mindezt töredék áron, ráadásul kisebb helyet foglal el.

Rubídium és a lézerek stabilitása

A lézer fejlesztésének alapját a rubídiumatomek képezik, amelyeket jól ismert tulajdonságaik miatt választottak ki, mivel ideálisak számos magas pontosságú alkalmazáshoz. A rubídium D2 optikai átmenetének stabilitása lehetővé teszi az atomórák pontos működését, illetve érzékeny tulajdonságai miatt népszerű a szenzorok és hideg atomfizikai alkalmazások terén.

Blumenthal, a tanulmány vezető szerzője elmondta: „Az atomátmeneti vonalak segítségével összeláthatjuk a lézert.” Ez annyit jelent, hogy a lézert az atomátmeneti vonalakra zárva a lézer lényegében átveszi az atomátmenet stabilitási jellemzőit.

Alacsony költség és hatékonyság

A kutatók a kereskedelmi forgalomban kapható Fabry-Perot lézerdióda, a világ legnagyobb alacsony veszteségű hullámvezetői és a legmagasabb minőségi tényezőjű rezonátorok kombinációját használták. Ezzel lehetőségük nyílt a Bürgo, asztali rendszerek teljesítményének megismétlésére, és a tesztjeik szerint az eszköz teljesítménye felülmúlja egyes asztali lézerekét, valamint korábban jelentett integrált lézerekét is.

Isichenko hangsúlyozta: „Az alacsony vonalszélesség értékei azt jelentik, hogy kompakt lézert tudunk elérni, anélkül hogy feláldoznánk a teljesítményt.”

A technológia jövője

A kutatás eredményei nemcsak a laboratóriumon belül, hanem azon kívül is széleskörű alkalmazásokat tesznek lehetővé, beleértve a kvantumkísérleteket, az atomidőmérést és a legcsekélyebb jelek, például a gravitációs gyorsulás elmozdulásának érzékelését. Blumenthal rávilágított a technológia űrbeli alkalmazásaira is: „Ezeket műholdakra helyezhetjük, hogy gravitációs térképet készítsünk a Földről. Így lehetőség nyílik például a tengerszint emelkedésének, a tengeri jég változásának vagy a földrengések érzékelésére is.”

A kompakt méret és az alacsony energiafogyasztás ideális összetevők, amelyeket az űrkutatás során és más technológiai alkalmazásokban egyaránt hasznosítani lehet.

A kutatás részletei megtalálhatók a „Sub-Hz fundamental, sub-kHz integral linewidth self-injection locked 780 nm hybrid integrated laser” című tanulmányban a Scientific Reports folyóiratban.