अवलोकन लेजर ने 1960 के दशक से दुनिया में क्रांति ला दी है और अब आधुनिक अनुप्रयोगों में एक अपरिहार्य उपकरण है, अत्याधुनिक सर्जरी और सटीक विनिर्माण से लेकर फाइबर-ऑप्टिक डेटा ट्रांसमिशन तक। हालाँकि, जैसे-जैसे लेजर अनुप्रयोगों की मांग बढ़ती है, चुनौतियाँ भी सामने आती हैं। उदाहरण के लिए, फाइबर लेजर का बाजार बढ़ रहा है, और वर्तमान में उनका उपयोग मुख्य रूप से औद्योगिक कटिंग, वेल्डिंग और मार्किंग अनुप्रयोगों में किया जाता है। फाइबर लेजर ऑप्टिकल लाभ माध्यम के रूप में दुर्लभ पृथ्वी तत्वों (एर्बियम, यटरबियम, नियोडिमियम, आदि) के साथ डोप किए गए ऑप्टिकल फाइबर का उपयोग करते हैं। फाइबर लेजर उच्च-गुणवत्ता वाली किरणें, उच्च आउटपुट पावर, उच्च दक्षता, कम रखरखाव लागत और स्थायित्व का उत्पादन करते हैं, और आमतौर पर गैस लेजर से छोटे होते हैं। फाइबर लेजर कम चरण शोर के लिए "स्वर्ण मानक" भी हैं, जिसका अर्थ है कि उनके बीम लंबे समय तक स्थिर रह सकते हैं। इसके बावजूद, चिप-स्केल फाइबर लेजर के लघुकरण की मांग बढ़ रही है। एर्बियम-आधारित फाइबर लेजर विशेष रुचि के हैं क्योंकि वे लेजर की उच्च सुसंगतता और स्थिरता बनाए रखने के लिए सभी आवश्यकताओं को पूरा करते हैं। हालाँकि, छोटे पैमाने पर फाइबर लेज़रों के प्रदर्शन को कैसे बनाए रखा जाए, यह हमेशा से ही लघु फाइबर लेज़रों के लिए एक चुनौती रही है।
अब, ईपीएफएल में डॉ. यांग लियू और प्रोफेसर टोबियास किपेनबर्ग के नेतृत्व में वैज्ञानिकों की एक टीम ने पहला चिप-एकीकृत एर्बियम-डोप्ड वेवगाइड लेजर बनाया है जो फाइबर लेजर के प्रदर्शन के करीब है, जबकि व्यापक तरंगदैर्ध्य ट्यूनेबिलिटी को चिप-स्केल फोटोनिक एकीकरण की व्यावहारिकता के साथ जोड़ता है। यह अध्ययन नेचर फोटोनिक्स में प्रकाशित हुआ था।
सिलिकॉन नाइट्राइड फोटोनिक एकीकृत चिप पर आधारित एक पूर्ण पैकेज्ड हाइब्रिड एकीकृत एर्बियम लेजर की छवि, जो फाइबर लेजर कोहेरेंस और पहले अप्राप्य आवृत्ति ट्यूनेबिलिटी प्रदान करती है। स्रोत: एंड्रिया बैंकोरा और यांग लियू (ईपीएफएल)।
चिप-स्केल लेजर का निर्माण
शोधकर्ताओं ने अत्याधुनिक निर्माण प्रक्रियाओं का उपयोग करके एक चिप-स्केल एर्बियम लेजर विकसित किया। उन्होंने सबसे पहले एक अल्ट्रा-लो-लॉस सिलिकॉन नाइट्राइड फोटोनिक एकीकृत चिप पर एक मीटर लंबी ऑन-चिप ऑप्टिकल कैविटी (दर्पणों का एक सेट जो ऑप्टिकल फीडबैक प्रदान करता है) बनाया। डॉ. यांग लियू ने कहा, "चिप के छोटे आकार के बावजूद, हम इन माइक्रो-होल रेज़ोनेटर के एकीकरण के कारण एक मीटर लंबी लेजर कैविटी को डिज़ाइन करने में सक्षम थे, जो डिवाइस को शारीरिक रूप से बड़ा किए बिना ऑप्टिकल पथ को प्रभावी ढंग से बढ़ाते हैं।" फिर टीम ने लेसिंग के लिए आवश्यक सक्रिय लाभ माध्यम का चयन करने के लिए चिप में एर्बियम आयनों की एक उच्च सांद्रता प्रत्यारोपित की। अंत में, उन्होंने एर्बियम आयनों को उत्तेजित करने के लिए III-V सेमीकंडक्टर पंप लेजर के साथ सर्किट को एकीकृत किया, जिससे वे प्रकाश उत्सर्जित करते हैं और एक लेजर बीम का उत्पादन करते हैं।
चित्र 1: हाइब्रिड एकीकृत Er:Si3N4 लेजर। स्रोत: यांग लियू, ज़ेरू किउ, शिनरू जी एट अल., "एक पूरी तरह से हाइब्रिड एकीकृत एर्बियम-आधारित लेजर", नेचर फोटोनिक्स (2024)। लेजर के प्रदर्शन को बेहतर बनाने और सटीक तरंगदैर्ध्य नियंत्रण को सक्षम करने के लिए, शोधकर्ताओं ने माइक्रोपोर-आधारित वर्नियर फ़िल्टर का उपयोग करके एक अभिनव इंट्राकेविटी डिज़ाइन तैयार किया, जो विशिष्ट प्रकाश आवृत्तियों का चयन करने में सक्षम एक ऑप्टिकल फ़िल्टर है। यह फ़िल्टर एक विस्तृत श्रृंखला में लेजर तरंगदैर्ध्य को गतिशील रूप से समायोजित कर सकता है, जिससे यह बहुमुखी और विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हो जाता है। यह डिज़ाइन केवल 50 हर्ट्ज की आंतरिक लाइनविड्थ के साथ स्थिर सिंगल-मोड लेजर का समर्थन करता है।
इसमें महत्वपूर्ण साइड-मोड दमन भी है - लेजर अन्य आवृत्तियों ("साइड मोड") की तीव्रता को कम करते हुए एकल, स्थिर आवृत्ति पर प्रकाश उत्सर्जित करने में सक्षम है। यह उच्च परिशुद्धता अनुप्रयोगों के लिए संपूर्ण स्पेक्ट्रल रेंज में "स्वच्छ" और स्थिर आउटपुट सुनिश्चित करता है।
चित्र 2: हाइब्रिड एकीकृत Er:Si3N4vernier लेजर सिंगल-मोड लेसिंग में काम कर रहा है। स्रोत: यांग लियू, ज़ेरू किउ, शिनरू जी एट अल., "एक पूरी तरह से हाइब्रिड एकीकृत एर्बियम-आधारित लेजर," नेचर फोटोनिक्स (2024)। शक्ति, सटीकता, स्थिरता और कम शोर चिप-स्केल एर्बियम फाइबर लेजर में 10 mW से अधिक की आउटपुट पावर और 70 dB से अधिक का साइड-मोड दमन अनुपात है, जो कई पारंपरिक प्रणालियों से बेहतर है। इसकी एक बहुत ही संकीर्ण लाइनविड्थ भी है, जिसका अर्थ है कि यह जो प्रकाश उत्सर्जित करता है वह बहुत शुद्ध और स्थिर है, जो संवेदन, जाइरोस्कोप, लिडार और ऑप्टिकल फ़्रीक्वेंसी मेट्रोलॉजी जैसे सुसंगत अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है। माइक्रोहोल-आधारित वर्नियर फिल्टर लेजर को सी-बैंड और एल-बैंड (दूरसंचार के लिए प्रयुक्त तरंगदैर्घ्य रेंज) में 40 एनएम की व्यापक तरंगदैर्घ्य ट्यूनेबिलिटी प्रदान करता है, जो ट्यूनिंग और कम स्पेक्ट्रल स्पर्स ("स्पर्स" अवांछित आवृत्तियां हैं) में पारंपरिक फाइबर लेजर से आगे निकल जाता है, जबकि वर्तमान अर्धचालक विनिर्माण प्रक्रियाओं के साथ संगत रहता है।
चित्र 3: लेज़र तरंगदैर्घ्य की ब्रॉडबैंड ट्यूनिंग का प्रदर्शन। स्रोत: यांग लियू, ज़ेरू किउ, शिनरू जी, एट अल., "एक पूरी तरह से हाइब्रिड एकीकृत एर्बियम-आधारित लेज़र," नेचर फोटोनिक्स (2024)। अगली पीढ़ी के लेज़र
एरबियम फाइबर लेजर को चिप-स्केल उपकरणों में लघुकृत और एकीकृत करने से उनकी समग्र लागत कम हो सकती है, जिससे वे दूरसंचार, चिकित्सा निदान और उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में पोर्टेबल, उच्च एकीकृत प्रणालियों के लिए उपयोगी हो सकते हैं।
चित्र 4: पूर्णतः हाइब्रिड एकीकृत लेजर शोर अभिलक्षणन और EDWL। स्रोत: यांग लियू, ज़ेरू किउ, शिनरू जी एट अल, "एक पूर्णतः हाइब्रिड एकीकृत एर्बियम-आधारित लेजर," नेचर फोटोनिक्स (2024)। यह कई अन्य अनुप्रयोगों, जैसे कि LIDAR, माइक्रोवेव फोटोनिक्स, ऑप्टिकल फ़्रीक्वेंसी संश्लेषण और फ़्री-स्पेस संचार के लिए ऑप्टिकल तकनीक को भी स्केल डाउन कर सकता है। डॉ. यांग लियू कहते हैं, "इस नए एर्बियम-डोप्ड एकीकृत लेजर के लिए अनुप्रयोग क्षेत्र वस्तुतः असीमित हैं।"
