Trosolwg Mae laserau wedi chwyldroi'r byd ers y 1960au ac maent bellach yn arf anhepgor mewn cymwysiadau modern, o lawdriniaeth flaengar a gweithgynhyrchu manwl gywir i drosglwyddo data ffibr-optig. Fodd bynnag, wrth i'r galw am gymwysiadau laser gynyddu, mae heriau'n codi hefyd. Er enghraifft, mae'r farchnad ar gyfer laserau ffibr yn ehangu, ac ar hyn o bryd fe'u defnyddir yn bennaf mewn cymwysiadau torri, weldio a marcio diwydiannol. Mae laserau ffibr yn defnyddio ffibrau optegol wedi'u dopio ag elfennau daear prin (erbium, ytterbium, neodymium, ac ati) fel cyfrwng ennill optegol. Mae laserau ffibr yn cynhyrchu trawstiau o ansawdd uchel, pŵer allbwn uchel, effeithlonrwydd uchel, costau cynnal a chadw isel, a gwydnwch, ac yn gyffredinol maent yn llai na laserau nwy. Mae laserau ffibr hefyd yn "safon aur" ar gyfer sŵn cyfnod isel, sy'n golygu y gall eu trawstiau aros yn sefydlog am amser hir. Er gwaethaf hyn, mae galw cynyddol am finiatureiddio laserau ffibr ar raddfa sglodion. Mae laserau ffibr sy'n seiliedig ar erbium o ddiddordeb arbennig oherwydd eu bod yn bodloni'r holl ofynion ar gyfer cynnal cydlyniad a sefydlogrwydd uchel y laser. Fodd bynnag, mae sut i gynnal perfformiad laserau ffibr ar raddfa fach bob amser wedi bod yn her ar gyfer miniatureiddio laserau ffibr.
Nawr, mae tîm o wyddonwyr dan arweiniad Dr. Yang Liu a'r Athro Tobias Kippenberg yn EPFL wedi creu'r laser tonfeddi wedi'i integreiddio â sglodion erbium-doped cyntaf sy'n agosáu at berfformiad laserau ffibr tra'n cyfuno tunadwyedd tonfedd eang ag ymarferoldeb ffotonig ar raddfa sglodion. integreiddio. Cyhoeddwyd yr astudiaeth yn Nature Photonics.
Delwedd o laser erbium integredig hybrid wedi'i becynnu'n llawn yn seiliedig ar sglodyn integredig ffotonig silicon nitrid, sy'n darparu cydlyniad laser ffibr a thiwnadwyedd amledd anghyraeddadwy o'r blaen. Ffynhonnell: Andrea Bancora a Yang Liu (EPFL).
Ffugio laser ar raddfa sglodion
Datblygodd yr ymchwilwyr laser erbium ar raddfa sglodion gan ddefnyddio prosesau gwneuthuriad o'r radd flaenaf. Adeiladwyd ceudod optegol ar-sglodyn un metr o hyd yn gyntaf (set o ddrychau sy'n darparu adborth optegol) ar sglodyn integredig ffotonig silicon nitrid colled isel iawn. "Er gwaethaf maint bach y sglodion, roeddem yn gallu dylunio'r ceudod laser i fod yn un metr o hyd, diolch i integreiddio'r cyseinyddion micro-twll hyn, sy'n ymestyn y llwybr optegol yn effeithiol heb ehangu'r ddyfais yn gorfforol," meddai Dr. Yang Liu. Yna mewnblannodd y tîm grynodiad uchel o ïonau erbium yn y sglodyn i gynhyrchu'n ddetholus y cyfrwng cynnydd gweithredol sydd ei angen ar gyfer lasio. Yn olaf, fe wnaethant integreiddio'r gylched â laser pwmp lled-ddargludyddion III-V i gyffroi'r ïonau erbium, gan achosi iddynt allyrru golau a chynhyrchu pelydr laser.
Ffigur 1: laser Er: Si3N4 integredig hybrid. Ffynhonnell: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., "Laser erbium integredig llawn hybrid", Ffotoneg Natur (2024). Er mwyn mireinio perfformiad y laser a galluogi rheolaeth fanwl gywir ar donfedd, dyfeisiodd yr ymchwilwyr ddyluniad intracuvity arloesol gan ddefnyddio hidlydd Vernier wedi'i seilio ar ficropore, hidlydd optegol sy'n gallu dewis amleddau golau penodol. Gall yr hidlydd hwn addasu'r donfedd laser yn ddeinamig dros ystod eang, gan ei gwneud yn hyblyg ac yn addas ar gyfer amrywiaeth o gymwysiadau. Mae'r dyluniad hwn yn cefnogi laserau un modd sefydlog gyda llinell gynhenid o 50 Hz yn unig.
Mae ganddo hefyd ataliad modd ochr sylweddol - mae'r laser yn gallu allyrru golau ar un amledd sefydlog tra'n lleihau dwyster amleddau eraill ("moddau ochr"). Mae hyn yn sicrhau allbwn "glân" a sefydlog ar draws yr ystod sbectrol gyfan ar gyfer cymwysiadau manwl uchel.
Ffigur 2: Laser integredig hybrid Er:Si3N4vernier yn gweithredu mewn laser modd sengl. Ffynhonnell: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al., "Laser erbium integredig llawn hybrid," Ffotoneg Natur (2024). Pŵer, manwl gywirdeb, sefydlogrwydd, a sŵn isel Mae gan y laser ffibr erbium graddfa sglodion bŵer allbwn o fwy na 10 mW a chymhareb atal modd ochr o fwy na 70 dB, sy'n well na llawer o systemau confensiynol. Mae ganddo hefyd linewidth cul iawn, sy'n golygu bod y golau y mae'n ei allyrru yn bur a sefydlog iawn, sy'n bwysig ar gyfer cymwysiadau cydlynol megis synhwyro, gyrosgopau, lidar, a mesureg amledd optegol. Mae'r hidlydd Vernier sy'n seiliedig ar ficro-twll yn rhoi tunadwyedd tonfedd eang laser o 40 nm yn y band C a'r band L (yr ystod donfedd a ddefnyddir ar gyfer telathrebu), gan ragori ar laserau ffibr confensiynol mewn tiwnio ac ysbardunau sbectrol isel (mae "sbardunau" yn amleddau diangen ) tra'n parhau i fod yn gydnaws â phrosesau gweithgynhyrchu lled-ddargludyddion cyfredol.
Ffigur 3: Arddangosiad o diwnio band eang o donfedd laser. Ffynhonnell: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji, et al., "Laser erbium integredig llawn hybrid," Ffotoneg Natur (2024). Laserau cenhedlaeth nesaf
Gallai miniatureiddio ac integreiddio laserau ffibr erbium i ddyfeisiau graddfa sglodion leihau eu cost gyffredinol, gan eu gwneud yn ddefnyddiol ar gyfer systemau cludadwy, integredig iawn mewn telathrebu, diagnosteg feddygol, ac electroneg defnyddwyr.
Ffigur 4: Nodweddu sŵn laser integredig llawn hybrid ac EDWL. Ffynhonnell: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji et al, "Mae laser integredig llawn hybrid seiliedig ar erbium," Ffotoneg Natur (2024). Gallai hefyd leihau technoleg optegol ar gyfer amrywiaeth o gymwysiadau eraill, megis LIDAR, ffotoneg microdon, synthesis amledd optegol, a chyfathrebu gofod rhydd. meddai Dr Yang Liu, "Mae'r meysydd cais ar gyfer y laser integredig newydd hwn â dop erbium bron yn ddiderfyn."
