यूसी सांता बारबरा शोधकर्ताओं ने एक कॉम्पैक्ट, कम लागत वाली लेजर विकसित किया है जो लैब-स्केल सिस्टम के प्रदर्शन को प्रतिद्वंद्वी करता है। यह क्वांटम कंप्यूटिंग, टाइमकीपिंग और पर्यावरण संवेदन जैसे अनुप्रयोगों को सक्षम करने के लिए रूबिडियम परमाणुओं और उन्नत चिप एकीकरण तकनीकों का उपयोग करता है, जिसमें उपग्रह-आधारित गुरुत्वाकर्षण मैपिंग शामिल है।
लेज़र्स उन प्रयोगों के लिए अपरिहार्य हैं जिनके लिए अल्ट्रा-सटीक परमाणु माप और नियंत्रण की आवश्यकता होती है, जैसे कि दो-फोटॉन परमाणु घड़ियों, कोल्ड-एटम इंटरफेरोमीटर सेंसर और क्वांटम गेट्स। लेज़रों की प्रभावशीलता की कुंजी उनकी वर्णक्रमीय शुद्धता है, जो केवल एक रंग, या आवृत्ति के प्रकाश का उत्सर्जन है। आज, इन अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक अल्ट्रा-लो-शोर, स्थिर प्रकाश को प्राप्त करना एक संकीर्ण वर्णक्रमीय रेंज के भीतर फोटॉनों को उत्पन्न करने और प्रबंधित करने के लिए डिज़ाइन किए गए भारी और महंगे बेंचटॉप लेजर सिस्टम पर निर्भर करता है।
लेकिन क्या होगा अगर ये परमाणु अनुप्रयोग लैब और बेंचटॉप की सीमाओं से बच सकते हैं? यह यूसी सांता बारबरा में इंजीनियरिंग के प्रोफेसर डैनियल ब्लूमेंटल की प्रयोगशाला में विज़न ड्राइविंग अनुसंधान है, जहां उनकी टीम हल्के, हाथ में उपकरणों में इन उच्च-सटीक लेजर के प्रदर्शन को दोहराने के लिए काम कर रही है।
ब्लूमेंटल की लैब में एक स्नातक शोधकर्ता आंद्रेई इसिचेंको ने कहा, "ये छोटे लेजर व्यावहारिक क्वांटम सिस्टम के लिए स्केलेबल लेजर सॉल्यूशंस, साथ ही पोर्टेबल, फील्ड-तैनात और स्पेस-आधारित क्वांटम सेंसर के लिए लेजर को सक्षम करेंगे।" "यह तटस्थ परमाणुओं और फंसे आयनों का उपयोग करके क्वांटम कंप्यूटिंग जैसे प्रौद्योगिकी क्षेत्रों के लिए निहितार्थ होगा, साथ ही साथ परमाणु घड़ियों और ग्रेविमीटर जैसे कोल्ड-एटम क्वांटम सेंसर भी।"
जर्नल साइंटिफिक रिपोर्ट्स में प्रकाशित एक पेपर में, ब्लूमेंटल, इसिचेंको और उनकी टीम ने इस दिशा में एक चिप-स्केल अल्ट्रा-लो लाइनविड्थ सेल्फ-इंजेक्शन-लॉक 780- नैनोमीटर लेजर के विकास का वर्णन किया। शोधकर्ताओं का कहना है कि डिवाइस, जो एक माचिस के आकार के बारे में है, विनिर्माण लागत और स्थान के एक अंश पर वर्तमान संकीर्ण-लाइनविड्थ 780- एनएम लेज़रों से बेहतर प्रदर्शन कर सकता है।
रूबिडियम परमाणुओं को लेजर के लिए चुना गया था क्योंकि उनके पास अच्छी तरह से ज्ञात गुण हैं जो उन्हें विभिन्न प्रकार के उच्च-सटीक अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बनाते हैं। उनके डी 2 ऑप्टिकल संक्रमण की स्थिरता उन्हें परमाणु घड़ियों के लिए आदर्श बनाती है; परमाणुओं की संवेदनशीलता भी उन्हें सेंसर और कोल्ड-एटम फिजिक्स के लिए एक लोकप्रिय विकल्प बनाती है। रूबिडियम परमाणुओं के एक वाष्प के माध्यम से लेजर को पारित करके जो एक परमाणु संदर्भ के रूप में काम करता है, निकट-अवरक्त लेजर एक स्थिर परमाणु संक्रमण के गुणों पर ले जाता है।
पेपर के वरिष्ठ लेखक ब्लूमेंटल कहते हैं, "आप लेजर को फंसाने के लिए परमाणु संक्रमण लाइन का उपयोग करते हैं।" "दूसरे शब्दों में, लेजर को परमाणु संक्रमण रेखा पर बंद करके, लेजर कम या ज्यादा स्थिरता के संदर्भ में उस परमाणु संक्रमण के गुणों पर ले जाता है।"
लेकिन फैंसी रेड लाइट एक सटीक लेजर के लिए नहीं बनाती है। लेजर प्रकाश की आदर्श गुणवत्ता प्राप्त करने के लिए, "शोर" को हटा दिया जाना चाहिए। Blumenthal इसे एक ट्यूनिंग कांटा बनाम एक गिटार स्ट्रिंग के रूप में वर्णित करता है। "यदि आप एक ट्यूनिंग कांटा के साथ एक सी मारते हैं, तो यह एक बहुत ही सही सी हो सकता है," वे बताते हैं। "लेकिन अगर आप एक गिटार पर एक सी मारते हैं, तो आप इसमें अन्य टन सुन सकते हैं।" इसी तरह, लेजर लाइट में अलग -अलग आवृत्तियों (रंग) हो सकते हैं, जो अतिरिक्त "टोन" बनाते हैं। आवश्यक एकल आवृत्ति (इस मामले में, शुद्ध गहरी लाल प्रकाश) का उत्पादन करने के लिए, सिस्टम लेजर प्रकाश को और अधिक चिकना करने के लिए अतिरिक्त घटकों का उपयोग करता है। शोधकर्ताओं के लिए चुनौती इस कार्यक्षमता और प्रदर्शन को एक ही चिप पर पैक करने की थी।
"टीम ने व्यावसायिक रूप से उपलब्ध फैब्री-पेरोट लेजर डायोड, दुनिया के सबसे कम-हानि वेवगाइड्स (ब्लूमेंटल की लैब द्वारा बनाया गया), और उच्चतम गुणवत्ता वाले कारक गुंजयमानों के संयोजन का उपयोग किया, सभी एक सिलिकॉन नाइट्राइड प्लेटफॉर्म पर गढ़े गए। ऐसा करने में, वे थे। भारी बेंचटॉप सिस्टम के प्रदर्शन को दोहराने में सक्षम -- उनके परीक्षणों के अनुसार, उनके डिवाइस ने कुछ बेंचटॉप लेजर, साथ ही साथ पहले से ही एकीकृत लेज़रों की सूचना दी, जो आवृत्ति शोर और लाइनविड्थ जैसे प्रमुख मैट्रिक्स में परिमाण के चार आदेशों द्वारा।
"कम लाइनविड्थ मूल्यों का महत्व यह है कि हम लेजर प्रदर्शन का त्याग किए बिना कॉम्पैक्ट लेज़रों को प्राप्त कर सकते हैं," इसिचेंको ने समझाया। "कुछ मायनों में, पूर्ण चिप-स्केल एकीकरण के कारण पारंपरिक लेज़रों की तुलना में प्रदर्शन में सुधार किया जाता है। पर्यावरण के लिए वे समझते हैं, आदि "
इस परियोजना के लिए, कम लाइनविथ्स, रिकॉर्ड-लो सब-हर्ट्ज मौलिक और उप-किलोहर्ट्ज़ एकीकृत लाइनविथ्स हैं, जो लेजर प्रौद्योगिकी की स्थिरता और बाहरी और आंतरिक दोनों स्रोतों से शोर को दूर करने की क्षमता का प्रदर्शन करते हैं।
प्रौद्योगिकी के अन्य लाभों में लागत-यह $ 50 डायोड का उपयोग करता है और एक लागत-प्रभावी और स्केलेबल विनिर्माण प्रक्रिया का उपयोग करके गढ़ा जाता है जो कि सीएमओएस-संगत वेफर-स्केल प्रक्रियाओं का उपयोग करके बनाया गया है, जो इलेक्ट्रॉनिक चिप निर्माण की दुनिया से उधार लेता है। इस तकनीक की सफलता का मतलब है कि इन उच्च-प्रदर्शन, उच्च-परिशुद्धता, कम लागत वाले फोटोनिक एकीकृत लेज़रों को लैब के अंदर और बाहर दोनों प्रकार की सेटिंग्स में तैनात किया जा सकता है, जिसमें क्वांटम प्रयोग, परमाणु समय और सबसे कमजोर संकेतों को संवेदना शामिल है, जैसे कि पृथ्वी के चारों ओर गुरुत्वाकर्षण त्वरण में परिवर्तन।
ब्लूमेंटल ने कहा, "आप इन उपकरणों को उपग्रहों पर और कुछ सटीकता के साथ पृथ्वी में और उसके आसपास गुरुत्वाकर्षण पर मैप कर सकते हैं।" "आप समुद्र के स्तर में वृद्धि, समुद्री बर्फ में परिवर्तन और भूकंपों को मापने के लिए पृथ्वी के चारों ओर गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र को समझ सकते हैं।" उन्होंने कहा: "यह तकनीक कॉम्पैक्ट, कम-शक्ति और हल्के है, जो इसे अंतरिक्ष में तैनाती के लिए आदर्श बनाती है।"
