Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Jelena Vučković, seorang profesor teknik elektro di Universitas Stanford, telah memelopori integrasi laser batu permata titanium (Ti: safir) pada sebuah chip (yang dapat dipompa dengan penunjuk laser hijau). Dibandingkan dengan laser batu permata titanium lainnya yang tersedia saat ini, prototipe ini empat kali lipat lebih kecil (yaitu sepersepuluh ribu dari yang asli) dan tiga kali lipat lebih rendah dalam biaya (yaitu, seperseribu dari yang asli).
Laser batu permata titanium, karena bandwidth gain yang tinggi dan keluaran pulsa ultracepat, sangat diperlukan dalam bidang-bidang seperti optik kuantum mutakhir, spektroskopi, dan ilmu saraf. Namun, ukurannya yang besar dan harganya yang mahal (masing-masing ratusan ribu dolar), serta kebutuhan akan perangkat bertenaga tinggi (masing-masing dijual seharga sekitar $30,000) untuk memompanya, telah membatasi penggunaannya secara luas.
"Di Laboratorium Nano dan Fotonik Kuantum Stanford, kami telah melakukan beberapa eksperimen kuantum berdasarkan bit kuantum spin solid-state dalam material seperti berlian dan silikon karbida. Eksperimen ini sangat bergantung pada laser batu permata titanium komersial." Joshua Yang, seorang mahasiswa PhD di tim Vučković, menjelaskan.
Selain mahal, laser batu permata titanium rumit dan seringkali memerlukan perawatan rutin agar tetap berfungsi dengan baik.Prof. Tim peneliti Vučković melakukan sejumlah besar eksperimen di mana laser batu permata titanium tidak memiliki waktu mesin yang cukup, dan oleh karena itu harus berbagi peralatan dan mengatur jadwal eksperimen. Selain itu, karena daya yang diperlukan untuk eksperimen jauh lebih rendah dibandingkan daya keluaran laser batu permata titanium komersial, keluaran laser hanya dapat dilemahkan beberapa kali lipat, sehingga sebagian besar daya laser terbuang sia-sia.
Yang mengatakan, "Laser safir titanium berskala chip, karena biayanya yang rendah, kompak, dan stabil, dapat menggantikan sistem laser batu permata titanium komersial yang saat ini digunakan untuk eksperimen presisi kami."
Gambar 1: Laser batu permata titanium skala chip yang dikembangkan oleh tim peneliti Prof. Jelena Vučković. Laser bertumpu secara diagonal pada batu permata titanium, keduanya bertumpu pada seperempatnya.
Desain laser yang cerdas
Laser skala chip yang dikembangkan oleh tim terdiri dari dua bagian utama: pandu gelombang dan resonator cincin.
Lapisan batu permata titanium ditempatkan pada substrat silikon dioksida (SiO2), yang kemudian ditempatkan pada kristal safir. Lapisan batu permata titanium digiling, diukir dan dipoles hingga ketebalan hanya beberapa ratus nanometer. Ia kemudian dipola dengan pandu gelombang, yang bertindak sebagai pusaran punggung kecil yang memandu cahaya saat melewatinya.
Pemanas mini digunakan untuk memanaskan pandu gelombang, yang mengubah indeks bias pandu gelombang dan kecepatan perjalanan cahaya melalui pandu gelombang, sehingga panjang gelombang keluaran dapat disesuaikan pada rentang panjang gelombang, dari merah ke inframerah (saat ini dapat disesuaikan hingga 60nm).
"Panduan gelombang berbentuk spiral setara dengan penguat laser, dan dayanya meningkat seiring laser melewatinya." Yang menjelaskan, "Resonator cincin bertindak sebagai filter untuk memodulasi panjang gelombang laser melalui pemanas mikro, dan sebagai rongga resonansi untuk laser - bertindak sebagai jalur resirkulasi untuk transmisi laser."
Gambar 2: Gambar optik penguat pandu gelombang batu permata titanium berukuran 0.5mm x 0.5mm.
Tantangan untuk laser batu permata titanium skala chip
Kesulitan terbesar dengan laser batu permata titanium adalah memerlukan pemompaan intensitas tinggi untuk beroperasi. Dengan mewujudkan teknologi laser batu permata titanium melalui pandu gelombang presisi tinggi, tim peneliti mencapai dua terobosan penting:
Pertama, karena intensitas pemompaan adalah daya dibagi luas, penggunaan pandu gelombang optik batu permata titanium secara signifikan mengurangi area pemompaan. “Ini berarti hanya diperlukan lebih sedikit daya (sekitar 1000 kali lebih sedikit) untuk mencapai intensitas pemompaan yang serupa dengan sistem batu permata titanium komersial.” Yang menjelaskan, "Jadi bahkan laser semikonduktor lampu hijau yang murah pun cukup kuat untuk memompa laser berskala chip ini."
Kedua, laser batu permata titanium diintegrasikan ke dalam chip. “Laser safir skala chip (tanpa lebih banyak bagian yang bergerak) memiliki miniaturisasi, skalabilitas, dan daya tahan yang tak tertandingi oleh laser komersial untuk manufaktur semikonduktor tingkat wafer skala besar.” Yang menambahkan.
Bagi Yang, puncak dari pekerjaan ini adalah penggunaan laser batu permata titanium berskala chip untuk eksperimen kuantum. Dia berkata, "Merupakan kejutan besar melihat perangkat kecil ini menggantikan sistem laser komersial yang besar dalam eksperimen elektrodinamika kuantum (QED) rongga yang kompleks. Karena laser skala chip yang kami kembangkan benar-benar luar biasa."
Salah satu tantangan yang harus diatasi oleh tim peneliti Vučković untuk membuat laser batu permata titanium skala chip benar-benar dapat digunakan untuk eksperimen kuantum adalah mengoptimalkan sambungan sumber pompa. “Untuk percobaan, laser dipompa melalui jalur cahaya ruang bebas,” kata Yang, “tetapi dengan teknologi pengemasan fotonik, dimungkinkan untuk mengintegrasikan laser semikonduktor lampu hijau yang berfungsi sebagai sumber pompa untuk batu permata titanium skala chip. laser. Dengan mengoptimalkan sambungan sistem pengemasan dan sumber pompa, keluaran laser berkekuatan lebih tinggi dapat dicapai, dan laser bersifat portabel dan tahan lama."
Aplikasi potensial
Laser batu permata titanium skala chip memiliki beragam aplikasi, mulai dari teknologi kuantum seperti komputasi kuantum dan jam atom hingga aplikasi medis seperti tomografi koherensi optik dan mikroskop dua foton.
“Mudah-mudahan teknologi ini akan matang dan digunakan di bidang ini dalam beberapa tahun ke depan,” kata Yang. Setelah lulus musim panas ini, dia akan bekerja untuk Brightlight Photonics, sebuah perusahaan yang akan berupaya memfasilitasi komersialisasi laser batu permata titanium skala chip.
Saat ini, Jelena Vučković dan tim penelitinya sedang mengerjakan laser titanium skala chip yang dapat dikunci dengan mode merdu.
Laser berdenyut "akan membuka peluang baru untuk aplikasi laser dalam teknologi kuantum, pemrosesan informasi klasik, dan biomedis," kata Prof. Vučković.
