[ad_1]
Jeśli chodzi o lasery, te wykonane z szafiru tytanowego (Ti:sapphire) są uważane za posiadające „niezrównaną” wydajność. Są one niezbędne w wielu dziedzinach, w tym w najnowocześniejszej optyce kwantowej, spektroskopii i neuronauce. Wydajność ta ma jednak wysoką cenę. Lasery Ti:sapphire są duże, o objętości rzędu stóp sześciennych. Są drogie, kosztując setki tysięcy dolarów za sztukę. Wymagają też innych laserów o dużej mocy, z których każdy kosztuje 30 000 USD, aby dostarczyć im wystarczającą ilość energii do działania.
W rezultacie, lasery Ti:sapphire nigdy nie osiągnęły szerokiego, rzeczywistego zastosowania, na jakie zasługują – aż do teraz. Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda dokonali ogromnego skoku pod względem skali, wydajności i kosztów, budując laser Ti:sapphire na chipie. Prototyp ten jest o cztery rzędy wielkości mniejszy (10 000x) i o trzy rzędy wielkości tańszy (1 000x) niż jakikolwiek dotychczas wyprodukowany laser Ti:sapphire.
„To całkowite odejście od starego modelu”, powiedziała Jelena Vu?kovi, profesor Jensen Huang w dziedzinie globalnego przywództwa, profesor inżynierii elektrycznej i starszy autor artykułu przedstawiającego laser Ti:sapphire w skali chipowej, opublikowanego w czasopiśmie Nature. „Zamiast jednego dużego i drogiego lasera, każde laboratorium może wkrótce mieć setki tych cennych laserów na jednym chipie. A wszystko to można zasilić zielonym wskaźnikiem laserowym”.
Głębokie korzyści
„Kiedy przeskakujesz z rozmiaru blatu i tworzysz coś, co można wyprodukować na chipie przy tak niskich kosztach, stawia to te potężne lasery w zasięgu wielu różnych ważnych zastosowań” – powiedział Joshua Yang, doktorant w laboratorium Vu?kovi? i współautor badania wraz z kolegami z laboratorium nanoskali i fotoniki kwantowej Vu?kovi?, inżynierem badawczym Kasperem Van Gasse i stypendystą podoktorskim Danielem M. Lukinem.
Z technicznego punktu widzenia, lasery Ti:sapphire są tak cenne, ponieważ mają największą „szerokość pasma wzmocnienia” spośród wszystkich kryształów laserowych, wyjaśnił Yang. Mówiąc prościej, szerokość pasma wzmocnienia przekłada się na szerszy zakres kolorów, które laser może wytworzyć w porównaniu z innymi laserami. Jest on również ultraszybki, powiedział Yang. Impulsy światła emitowane są co kwadrylionową część sekundy.
Ale lasery Ti:sapphire są również trudne do zdobycia. Nawet laboratorium Vu?kovi’ego, które przeprowadza najnowocześniejsze eksperymenty z zakresu optyki kwantowej, ma tylko kilka takich cennych laserów. Nowy laser Ti:sapphire mieści się na chipie o powierzchni mierzonej w milimetrach kwadratowych. Jeśli naukowcy będą w stanie masowo produkować je na waflach, potencjalnie tysiące, a może nawet dziesiątki tysięcy laserów Ti:sapphire będzie można wycisnąć na dysku mieszczącym się w ludzkiej dłoni.
„Chip jest lekki. Jest przenośny. Jest niedrogi i wydajny. Nie ma ruchomych części. I może być produkowany masowo” – powiedział Yang. „Czego tu nie lubić? To demokratyzuje lasery Ti:sapphire”.
Jak to się robi
Aby stworzyć nowy laser, naukowcy zaczęli od warstwy szafiru tytanowego na platformie z dwutlenku krzemu (SiO2), a wszystko to na prawdziwym krysztale szafiru. Następnie szlifują, wytrawiają i polerują Ti: szafir do niezwykle cienkiej warstwy o grubości zaledwie kilkuset nanometrów. W tej cienkiej warstwie tworzą wirujący wir z drobnymi grzbietami. Grzbiety te są jak kable światłowodowe, które kierują światło dookoła, zwiększając jego intensywność. W rzeczywistości wzór ten znany jest jako falowód.
„Matematycznie rzecz biorąc, intensywność to moc podzielona przez obszar. Tak więc, jeśli utrzymasz tę samą moc, co w przypadku lasera wielkoskalowego, ale zmniejszysz obszar, na którym jest ona skoncentrowana, intensywność wzrośnie” – mówi Yang. „Mała skala naszego lasera w rzeczywistości pomaga nam uczynić go bardziej wydajnym”.
Pozostałym elementem układanki jest grzejnik w mikroskali, który ogrzewa światło przechodzące przez falowody, umożliwiając zespołowi Vu?kovi? zmianę długości fali emitowanego światła w celu dostrojenia koloru światła w dowolnym miejscu między 700 a 1000 nanometrów – w czerwieni i podczerwieni.
Spotlight o aplikacjach
Vu?kovi?, Yang i współpracownicy są najbardziej podekscytowani zakresem dziedzin, na które taki laser może mieć wpływ. W fizyce kwantowej nowy laser zapewnia niedrogie i praktyczne rozwiązanie, które może znacznie zmniejszyć skalę najnowocześniejszych komputerów kwantowych. W neuronauce naukowcy mogą przewidzieć natychmiastowe zastosowanie w optogenetyce, dziedzinie, która pozwala naukowcom kontrolować neurony za pomocą światła prowadzonego wewnątrz mózgu przez stosunkowo nieporęczny światłowód. Mówią, że lasery na małą skalę mogą być zintegrowane z bardziej kompaktowymi sondami, otwierając nowe możliwości eksperymentalne. W okulistyce mogą one znaleźć nowe zastosowanie dzięki nagrodzonemu Nagrodą Nobla wzmocnieniu impulsu świergotowego w chirurgii laserowej lub zaoferować tańsze, bardziej kompaktowe technologie optycznej koherentnej tomografii wykorzystywane do oceny stanu siatkówki.
W następnej kolejności zespół pracuje nad udoskonaleniem lasera Ti:sapphire w skali chipowej oraz nad sposobami jego masowej produkcji na waflach. Yang uzyska doktorat tego lata na podstawie tych badań i pracuje nad wprowadzeniem technologii na rynek.
„Moglibyśmy umieścić tysiące laserów na jednym 4-calowym waflu” – mówi Yang. „Wtedy koszt jednego lasera zaczyna spadać niemal do zera. To bardzo ekscytujące”.
[ad_2]