DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07457-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38926612
تاريخ النشر: 2024-06-26
المؤلف: Joshua Yang وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا الليزر الألياف المتقدمة
نظرة عامة
تقدم الأبحاث تقدمًا كبيرًا في تكنولوجيا الليزر من التيتانيوم: الياقوت (Ti: الياقوت) من خلال تطوير منصة فوتونية من التيتانيوم: الياقوت على العازل (Ti:SaOI). تعالج هذه المنصة قيود الليزر التقليدي من نوع Ti: الياقوت، والتي تتميز بحجمها الكبير، وتكلفتها العالية، ومتطلبات الطاقة البصرية الكبيرة. يظهر المؤلفون ليزر Ti: الياقوت مع عتبة ليزر منخفضة للغاية أقل من الميلي واط من خلال تصنيع رنانات وضعية همس منخفضة الفقد. بالإضافة إلى ذلك، يحققون مضخم ضوئي صلب يعمل تحت 1 ميكرومتر مع تضخيم خالٍ من التشويه لنبضات البيكوسكند، تصل إلى طاقات ذروة تبلغ 1.0 كيلو واط.
علاوة على ذلك، فإن دمج ليزر Ti: الياقوت القابل للتعديل الذي يمكن ضخه باستخدام ثنائيات الليزر الخضراء الصغيرة منخفضة التكلفة يمهد الطريق لأنظمة مصفوفة ليزر Ti: الياقوت القابلة للتوسع. لا تقلل هذه الابتكارات من تكلفة وحجم تكنولوجيا Ti: الياقوت بمقدار ثلاثة أوامر من الحجم فحسب، بل تقدم أيضًا تضخيمًا واسع النطاق للضوء بطول موجي أقل من الميكرون. كدليل على المفهوم، يستخدم الباحثون مصفوفة ليزر Ti:SaOI للتحكم البصري في تجربة الديناميكا الكهربائية الكمية في تجويف تتضمن ذرات صناعية في كربيد السيليكون، مما يبرز التطبيقات المحتملة لهذه التكنولوجيا في مجالات متنوعة.
مناقشة
في هذه الدراسة، يقدم المؤلفون منصة فوتونية جديدة من التيتانيوم: الياقوت على العازل (Ti:SaOI) التي تدمج الليزر والمضخمات القابلة للتعديل واسعة النطاق، مما يظهر تقدمًا كبيرًا في الحجم والتكلفة والكفاءة مقارنةً بأنظمة الليزر التقليدية من نوع Ti: الياقوت. ت yields عملية التصنيع رقائق ميكروية من التيتانيوم: الياقوت أحادية البلورة عالية الجودة، تحقق عوامل جودة جوهرية (Q) تصل إلى 1.3 مليون وفقدان انتشار قدره 0.5 ديسيبل سم$^{-1}$. تتيح المنصة الليزر أحادي الوضع مع عتبة طاقة ضخ منخفضة بشكل ملحوظ تبلغ 290 ميكرو واط، وهو انخفاض بمقدار 22 مرة مقارنة بالأنظمة السابقة. بالإضافة إلى ذلك، يظهر مضخم الموجة الضوئية Ti:SaOI زيادة قصوى قدرها 64 ديسيبل سم$^{-1}$ ويعمل بشكل فعال عبر نطاق ترددي يبلغ 100 تيراهرتز، مما يمثل تحسينًا كبيرًا في قدرة التعامل مع الطاقة والتضخيم.
يبرز المؤلفون التطبيقات المحتملة لمنصة Ti:SaOI في مجالات متنوعة، بما في ذلك التصوير البصري المتماسك والتقنيات الكمية، من خلال إظهار استخدامها في تجارب الديناميكا الكهربائية الكمية مع ذرات صناعية صلبة. لا يعزز دمج هذه الليزرات على الرقاقة الوصول إلى ليزرات Ti: الياقوت عالية الأداء فحسب، بل يفتح أيضًا آفاقًا لتطبيقات مبتكرة في النانوفوتونيات والأنظمة الكمية. تشير النتائج إلى أن منصة Ti:SaOI يمكن أن تحدث ثورة في استخدام ليزرات Ti: الياقوت، مما يجعلها أكثر قابلية للتوسع ومرونة لمجموعة واسعة من التطبيقات العلمية والتكنولوجية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07457-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38926612
Publication Date: 2024-06-26
Author(s): Joshua Yang et al.
Primary Topic: Advanced Fiber Laser Technologies
Overview
The research presents a significant advancement in titanium:sapphire (Ti:sapphire) laser technology through the development of a monocrystalline titanium:sapphire-on-insulator (Ti:SaOI) photonics platform. This platform addresses the limitations of traditional Ti:sapphire lasers, which are characterized by their large size, high cost, and substantial optical pump power requirements. The authors demonstrate a Ti:sapphire laser with an ultralow lasing threshold of sub-milliwatts by fabricating low-loss whispering-gallery-mode resonators. Additionally, they achieve a solid-state optical amplifier operating below 1 μm with remarkable distortion-free amplification of picosecond pulses, reaching peak powers of 1.0 kW.
Furthermore, the integration of a tunable Ti:sapphire laser that can be pumped using low-cost, miniature green laser diodes paves the way for scalable Ti:sapphire laser-array systems. This innovation not only reduces the cost and footprint of Ti:sapphire technology by three orders of magnitude but also introduces solid-state broadband amplification for sub-micron wavelength light. As a proof-of-concept, the researchers utilize a Ti:SaOI laser array for optical control in a cavity quantum electrodynamics experiment involving artificial atoms in silicon carbide, highlighting the potential applications of this technology in various fields.
Discussion
In this study, the authors present a novel Ti:sapphire-on-insulator (Ti:SaOI) photonics platform that integrates broadband tunable lasers and amplifiers, demonstrating significant advancements in compactness, cost, and efficiency compared to traditional Ti:sapphire laser systems. The fabrication process yields high-quality monocrystalline Ti:sapphire microchips, achieving intrinsic quality factors (Q) of up to 1.3 million and a propagation loss of 0.5 dB cm$^{-1}$. The platform enables single-mode lasing with a remarkably low threshold pump power of 290 μW, a reduction of 22 times from previous systems. Additionally, the Ti:SaOI waveguide amplifier exhibits a peak gain of 64 dB cm$^{-1}$ and operates effectively across a 100-THz bandwidth, marking a significant improvement in power handling and amplification capabilities.
The authors highlight the potential applications of the Ti:SaOI platform in various fields, including optical coherence tomography and quantum technologies, by demonstrating its use in cavity quantum electrodynamics experiments with solid-state artificial atoms. The integration of these lasers on-chip not only enhances accessibility to high-performance Ti:sapphire lasers but also opens avenues for innovative applications in nanophotonics and quantum systems. The findings suggest that the Ti:SaOI platform could revolutionize the use of Ti:sapphire lasers, making them more scalable and versatile for a wide range of scientific and technological applications.