Les chercheurs de l'UC Santa Barbara ont développé un laser compact à faible coût qui rivalise avec les performances des systèmes à l'échelle du laboratoire. Il utilise des atomes de rubidium et des techniques d'intégration avancées des puces pour permettre des applications telles que l'informatique quantique, le chronométrage et la détection environnementale, y compris la cartographie de la gravité par satellite.
Les lasers sont indispensables pour des expériences qui nécessitent une mesure atomique et un contrôle ultra précis, tels que les horloges atomiques à deux photons, les capteurs d'interféromètre à atomes froids et les portes quantiques. La clé de l'efficacité des lasers est leur pureté spectrale, qui est l'émission de lumière d'une seule couleur ou de la fréquence. Aujourd'hui, la réalisation de la lumière stable et stable requise pour ces applications reposait sur des systèmes laser de banctop volumineux et coûteux conçus pour générer et gérer des photons dans une gamme spectrale étroite.
Mais que se passe-t-il si ces applications atomiques pouvaient échapper aux limites du laboratoire et du benchtop? Il s'agit de la vision de la recherche dans le laboratoire de Daniel Blumenthal, professeur d'ingénierie à l'UC Santa Barbara, où son équipe travaille à reproduire les performances de ces lasers de haute précision dans des appareils portables légers.
"Ces petits lasers permettront des solutions laser évolutives pour les systèmes quantiques pratiques, ainsi que des lasers pour des capteurs quantiques portables, déployés sur le terrain et basés sur l'espace", a déclaré Andrei Isichenko, chercheuse diplômée du laboratoire de Blumenthal. "Cela aura des implications pour les zones technologiques telles que l'informatique quantique à l'aide d'atomes neutres et d'ions piégés, ainsi que des capteurs quantiques à atomes froids tels que les horloges atomiques et les gravimeters."
Dans un article publié dans la revue Scientific Reports, Blumenthal, Isichenko et leur équipe décrivent le développement d'un laser nanométrique à large largeur d'auto-injection à l'échelle ultra-lobe à l'échelle de la puce dans cette direction. Les chercheurs disent que l'appareil, qui est de la taille d'une boîte d'allumettes, peut surpasser les lasers actuels à largeur étroite 780- nm à une fraction du coût et de l'espace de fabrication.
Les atomes de rubidium ont été choisis pour le laser car ils ont des propriétés bien connues qui les rendent idéales pour une variété d'applications de haute précision. La stabilité de leur transition optique D2 les rend idéales pour les horloges atomiques; La sensibilité des atomes en fait également un choix populaire pour les capteurs et la physique des atomes du froid. En passant le laser à travers une vapeur d'atomes de rubidium qui servent de référence atomique, le laser proche infrarouge prend les propriétés d'une transition atomique stable.
"Vous utilisez la ligne de transition atomique pour piéger le laser", explique Blumenthal, l'auteur principal du journal. "En d'autres termes, en verrouillant le laser à la ligne de transition atomique, le laser prend plus ou moins les propriétés de cette transition atomique en termes de stabilité."
Mais la lumière rouge fantaisie ne fait pas un laser de précision. Pour obtenir la qualité idéale de la lumière laser, le "bruit" doit être supprimé. Blumenthal le décrit comme une fourche de réglage contre une chaîne de guitare. "Si vous frappez un C avec une fourche de réglage, ce pourrait être un C très parfait", explique-t-il. "Mais si vous frappez un C sur une guitare, vous pouvez entendre d'autres tons dedans." De même, la lumière laser peut contenir différentes fréquences (couleurs), créant des «tons» supplémentaires. Pour produire la fréquence unique requise (dans ce cas, une lumière rouge foncé pur), le système utilise des composants supplémentaires pour lisser davantage la lumière laser. Le défi pour les chercheurs était d'emballer toutes ces fonctionnalités et performances sur une seule puce.
"L'équipe a utilisé une combinaison de diodes laser Fabry-Perot disponibles dans le commerce, des guides d'ondes les plus basses du monde (fabriqués par Blumenthal's Lab), et les résonateurs de facteur de la plus haute qualité, tous fabriqués sur une plate-forme de nitrure de silicium. Capable de reproduire les performances des systèmes de benchtop volumineux -- Selon leurs tests, leur appareil a surpassé certains lasers de banctop, ainsi que les lasers intégrés précédemment, par quatre ordres de grandeur dans des mesures clés comme le bruit de fréquence et la largeur de ligne.
"La signification des valeurs de largeur de ligne faible est que nous pouvons atteindre des lasers compacts sans sacrifier les performances du laser", a expliqué Isichenko. "À certains égards, les performances sont améliorées par rapport aux lasers conventionnels en raison de l'intégration complète à l'échelle des puces qui a été réalisée. Réponse à l'environnement qu'ils ressentent, etc. "
Les basses LINGES, pour ce projet, sont des largeurs de lignes intégrées sous-hertz records et sous-kilohertz, démontrant la stabilité et la capacité de la technologie laser à surmonter le bruit provenant des sources externes et internes.
Les autres avantages de la technologie incluent Cost-it utilise des diodes de 50 $ et sont fabriqués à l'aide d'un processus de fabrication rentable et évolutif qui est construit à l'aide de processus à l'échelle de la plaque compatible CMOS, empruntant dans le monde de la fabrication électronique des puces. Le succès de cette technologie signifie que ces lasers intégrés à haute performance, haute précision et à faible coût, pourraient être déployés dans une variété de paramètres à l'intérieur et à l'extérieur du laboratoire, y compris des expériences quantiques, un timing atomique et la détection des signaux les plus faibles, comme les changements d'accélération gravitationnelle autour de la terre.
"Vous pouvez mettre ces instruments sur des satellites et cartographier la gravité dans et autour de la terre avec une certaine précision", a déclaré Blumenthal. "Vous pouvez sentir le champ gravitationnel autour de la terre pour mesurer l'élévation du niveau de la mer, les changements de glace de mer et les tremblements de terre." Il a ajouté: "Cette technologie est compacte, de faible puissance et légère, ce qui le rend idéal pour le déploiement dans l'espace."
