Umumiy nuqtai Lazerlar 1960-yillardan beri dunyoda inqilob qildi va hozirda zamonaviy jarrohlik va aniq ishlab chiqarishdan tortib optik tolali maʼlumotlarni uzatishgacha boʻlgan zamonaviy ilovalarda ajralmas vosita hisoblanadi. Biroq, lazer ilovalariga talab ortib borayotgani sababli, qiyinchiliklar ham paydo bo'ladi. Misol uchun, tolali lazerlar bozori kengayib bormoqda va ular hozirda asosan sanoat kesish, payvandlash va markalash ilovalarida qo'llaniladi. Tolali lazerlar optik daromad muhiti sifatida noyob tuproq elementlari (erbiy, iterbiy, neodim va boshqalar) bilan qoplangan optik tolalardan foydalanadi. Elyaf lazerlari yuqori sifatli nurlar, yuqori chiqish quvvati, yuqori samaradorlik, past texnik xarajatlar va chidamlilik ishlab chiqaradi va odatda gaz lazerlariga qaraganda kichikroqdir. Elyaf lazerlari ham past fazali shovqin uchun "oltin standart" hisoblanadi, ya'ni ularning nurlari uzoq vaqt barqaror bo'lib qolishi mumkin. Shunga qaramay, chipli tolali lazerlarni miniatyuralashtirishga talab ortib bormoqda. Erbium asosidagi tolali lazerlar alohida qiziqish uyg'otadi, chunki ular lazerning yuqori muvofiqligi va barqarorligini saqlash uchun barcha talablarga javob beradi. Biroq, kichik miqyosda tolali lazerlarning ishlashini qanday saqlash kerakligi har doim tolali lazerlarni miniatyura qilish uchun qiyin bo'lgan.
Doktor Yang Liu va EPFL professori Tobias Kippenberg boshchiligidagi olimlar guruhi tolali lazerlarning ishlashiga yaqinlashib, keng to'lqin uzunligini sozlash qobiliyatini chip-miqyosdagi fotonikning amaliyligi bilan birlashtirgan holda birinchi chip bilan birlashtirilgan erbiy qo'shilgan to'lqin uzatuvchi lazerni yaratdi. integratsiya. Tadqiqot Nature Photonics jurnalida chop etildi.
Silikon nitridli fotonik integratsiyalangan chipga asoslangan to'liq qadoqlangan gibrid integratsiyalangan erbium lazerining tasviri, bu lazer tolasi muvofiqligini va ilgari erishib bo'lmaydigan chastota sozlanishini ta'minlaydi. Manba: Andrea Bancora va Yang Liu (EPFL).
Chip o'lchamli lazerni ishlab chiqarish
Tadqiqotchilar eng zamonaviy ishlab chiqarish jarayonlaridan foydalangan holda chipli erbium lazerini ishlab chiqdilar. Ular birinchi navbatda ultra past yo'qotishli kremniy nitridi fotonik integratsiyalangan chipda bir metr uzunlikdagi chip ustidagi optik bo'shliqni (optik qayta aloqani ta'minlaydigan ko'zgular to'plami) qurdilar. "Chipning kichik o'lchamiga qaramay, biz ushbu mikro-teshik rezonatorlarining integratsiyasi tufayli lazer bo'shlig'ini bir metr uzunlikda loyihalashga muvaffaq bo'ldik, bu qurilmani jismoniy kattalashtirmasdan optik yo'lni samarali kengaytiradi", dedi doktor. Yang Liu. Keyin jamoa lasing uchun zarur bo'lgan faol daromad muhitini tanlab ishlab chiqarish uchun chipga yuqori konsentratsiyali erbium ionlarini joylashtirdi. Nihoyat, ular erbium ionlarini qo'zg'atish uchun III-V yarimo'tkazgichli nasos lazeri bilan sxemani birlashtirdilar, bu ularning yorug'lik chiqarishiga va lazer nurini ishlab chiqarishiga olib keldi.
1-rasm: Gibrid integratsiyalangan Er:Si3N4 lazer. Manba: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji va boshqalar, "To'liq gibrid integratsiyalashgan erbiyga asoslangan lazer", Nature Photonics (2024). Lazerning ishlashini yaxshilash va to'lqin uzunligini aniq boshqarishni ta'minlash uchun tadqiqotchilar ma'lum yorug'lik chastotalarini tanlashga qodir optik filtr bo'lgan mikroporga asoslangan Vernier filtri yordamida innovatsion bo'shliq dizaynini ishlab chiqdilar. Ushbu filtr keng diapazonda lazer to'lqin uzunligini dinamik ravishda sozlashi mumkin, bu uni ko'p qirrali va turli xil ilovalar uchun mos qiladi. Ushbu dizayn o'ziga xos chiziq kengligi atigi 50 Gts bo'lgan barqaror yagona rejimli lazerlarni qo'llab-quvvatlaydi.
Shuningdek, u yonma-yon rejimda sezilarli bostirishga ega - lazer boshqa chastotalar ("yon rejimlar") intensivligini minimallashtirgan holda bitta barqaror chastotada yorug'lik chiqarishga qodir. Bu yuqori aniqlikdagi ilovalar uchun butun spektr oralig'ida "toza" va barqaror chiqishni ta'minlaydi.
2-rasm: Gibrid integratsiyalangan Er: Si3N4vernier lazeri bitta rejimli lazerda ishlaydi. Manba: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji va boshqalar, "To'liq gibrid integratsiyalashgan erbiyga asoslangan lazer", Nature Photonics (2024). Quvvat, aniqlik, barqarorlik va past shovqin Chip o'lchovli erbium tolali lazer 10 mVt dan ortiq chiqish quvvatiga va 70 dB dan ortiq yon rejimni bostirish nisbatiga ega, bu ko'plab an'anaviy tizimlarga qaraganda yaxshiroq. Bundan tashqari, u juda tor chiziq kengligiga ega, ya'ni u chiqaradigan yorug'lik juda sof va barqaror bo'lib, sezish, giroskoplar, lidar va optik chastota metrologiyasi kabi izchil ilovalar uchun muhimdir. Mikroteshiklarga asoslangan Vernier filtri lazerning keng to'lqin uzunligini 40 nm ga C va L diapazonlarida (telekommunikatsiya uchun ishlatiladigan to'lqin uzunligi diapazoni) sozlash imkonini beradi, sozlash va past spektrli spurslarda ("shporlar" - istalmagan chastotalar) an'anaviy tolali lazerlardan oshib ketadi. ) joriy yarimo'tkazgichlarni ishlab chiqarish jarayonlariga mos bo'lgan holda.
3-rasm: Lazer to'lqin uzunligini keng polosali sozlashning namoyishi. Manba: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji va boshqalar, "To'liq gibrid integratsiyalangan erbiyga asoslangan lazer", Nature Photonics (2024). Keyingi avlod lazerlari
Erbium tolali lazerlarni miniatyuralashtirish va chipli qurilmalarga integratsiyalash ularning umumiy narxini pasaytirishi mumkin, bu ularni telekommunikatsiya, tibbiy diagnostika va maishiy elektronikadagi portativ, yuqori darajada integratsiyalashgan tizimlar uchun foydali qiladi.
4-rasm: To'liq gibrid integratsiyalangan lazer shovqin tavsifi va EDWL. Manba: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji va boshqalar, "To'liq gibrid integratsiyalashgan erbiyga asoslangan lazer", Nature Photonics (2024). Shuningdek, u LIDAR, mikroto'lqinli fotonika, optik chastota sintezi va bo'sh joy aloqalari kabi turli xil ilovalar uchun optik texnologiyani qisqartirishi mumkin. - deydi doktor Yang Liu, "Ushbu yangi erbiy qo'shilgan integratsiyalashgan lazerni qo'llash sohalari deyarli cheksizdir".
