Un equipo de investigadores dirigido por Jelena Vučković, profesora de ingeniería eléctrica en la Universidad de Stanford, ha sido pionero en la integración de un láser de piedra preciosa de titanio (Ti:zafiro) en un chip (que puede bombearse con un puntero láser verde). En comparación con cualquier otro láser de piedras preciosas de titanio disponible actualmente, este prototipo es cuatro órdenes de magnitud más pequeño (es decir, una diezmilésima parte del original) y tres órdenes de magnitud menor en costo (es decir, una milésima parte del original).
Los láseres de piedras preciosas de titanio, debido a su ancho de banda de alta ganancia y salida de pulso ultrarrápido, son indispensables en campos como la óptica cuántica, la espectroscopia y la neurociencia de vanguardia. Sin embargo, su gran tamaño y alto precio (cientos de miles de dólares cada uno), así como la necesidad de dispositivos de alta potencia (cada uno de los cuales se vende por alrededor de $30,000) para bombearlos, han limitado su uso generalizado.
"En el Laboratorio de Fotónica Nano y Cuántica de Stanford, hemos llevado a cabo varios experimentos cuánticos basados en bits cuánticos de espín de estado sólido en materiales como el diamante y el carburo de silicio. Este experimento se basa en gran medida en láseres comerciales de piedras preciosas de titanio". Lo explica Joshua Yang, estudiante de doctorado del equipo de Vučković.
Además de ser costosos, los láseres para piedras preciosas de titanio son complejos y, a menudo, requieren un mantenimiento regular para que sigan funcionando bien. El equipo de investigación de Vučković lleva a cabo una gran cantidad de experimentos para los cuales los láseres de piedras preciosas de titanio no tienen suficiente tiempo de máquina y, por lo tanto, tienen que compartir el equipo y gestionar el programa experimental. Además, debido a que la potencia requerida para los experimentos es mucho menor que la potencia de salida de los láseres comerciales de piedras preciosas de titanio, la salida del láser sólo puede atenuarse en unos pocos órdenes de magnitud, lo que da como resultado que se desperdicie una gran parte de la potencia del láser.
Yang dijo: "Los láseres de zafiro de titanio a escala de chip, debido a su bajo costo, compacidad y estabilidad, pueden reemplazar los sistemas láser comerciales de piedras preciosas de titanio que se emplean actualmente para nuestros experimentos de precisión".
Figura 1: El láser de piedras preciosas de titanio a escala de chip desarrollado por el equipo de investigación de la profesora Jelena Vučković. El láser descansa diagonalmente sobre una piedra preciosa de titanio, ambos apoyados sobre una moneda de veinticinco centavos.
Diseño láser inteligente
El láser a escala de chip desarrollado por el equipo consta de dos partes principales: una guía de ondas y un resonador de anillo.
Se coloca una capa de piedras preciosas de titanio sobre un sustrato de dióxido de silicio (SiO2), que luego se coloca sobre un cristal de zafiro. La capa de piedra preciosa de titanio se muele, se graba y se pule hasta alcanzar un espesor de tan solo unos pocos cientos de nanómetros. Luego se modeló con una guía de ondas, que actúa como un vórtice de pequeñas crestas que guían la luz a medida que viaja a través de él.
Se utiliza un calentador en miniatura para calentar la guía de ondas, que cambia el índice de refracción de la guía de ondas y la velocidad a la que la luz viaja a través de la guía de ondas, de modo que la longitud de onda de salida se puede ajustar en un rango de longitudes de onda, desde rojo hasta infrarrojo (actualmente ajustable a 60 nm).
"La guía de ondas en forma de espiral equivale a un amplificador para el láser, y la potencia aumenta a medida que el láser pasa". Yang explica: "El resonador de anillo actúa como filtro para modular la longitud de onda del láser a través de microcalentadores y como cavidad resonante para el láser, actuando como una ruta de recirculación para la transmisión del láser".
Figura 2: Imagen óptica de un amplificador de guía de ondas de piedras preciosas de titanio que mide 0.5 mm x 0.5 mm.
Desafíos para los láseres de piedras preciosas de titanio a escala de chip
La mayor dificultad con los láseres de piedras preciosas de titanio es que requieren un bombeo de alta intensidad para funcionar. Al implementar la tecnología láser de piedras preciosas de titanio a través de una guía de ondas de alta precisión, el equipo de investigación logró dos avances importantes:
En primer lugar, dado que la intensidad del bombeo es la potencia dividida por el área, el uso de guías de ondas ópticas de piedras preciosas de titanio reduce significativamente el área de bombeo. "Esto significa que sólo se necesita menos energía (unas 1.000 veces menos) para lograr una intensidad de bombeo similar a la de los sistemas comerciales de piedras preciosas de titanio". Yang explica: "Por lo tanto, incluso un láser semiconductor de luz verde barato es lo suficientemente potente como para bombear este láser a escala de chip".
En segundo lugar, el láser de piedras preciosas de titanio está integrado en el chip. "El láser de zafiro a escala de chip (sin más partes móviles) tiene una miniaturización, escalabilidad y durabilidad incomparables con los láseres comerciales para la fabricación de semiconductores a gran escala a nivel de oblea". añadió Yang.
Para Yang, lo más destacado de este trabajo es el uso de este láser de piedras preciosas de titanio a escala de chip para experimentos cuánticos. Dijo: "Fue una gran sorpresa ver este pequeño dispositivo reemplazando un voluminoso sistema láser comercial en un complejo experimento de electrodinámica cuántica de cavidad (QED). Porque los láseres a escala de chip que hemos desarrollado son verdaderamente excepcionales".
Uno de los desafíos que el equipo de investigación de Vučković tuvo que superar para hacer que el láser de piedras preciosas de titanio a escala de chip fuera realmente utilizable para experimentos cuánticos fue optimizar el acoplamiento de la fuente de la bomba. "Para los experimentos, el láser se bombea a través de una trayectoria de luz en el espacio libre", dice Yang, "pero con la tecnología de empaquetado fotónico, es posible integrar un láser semiconductor de luz verde que sirve como fuente de bombeo para la piedra preciosa de titanio a escala de chip. láser Al optimizar el acoplamiento del sistema de embalaje y la fuente de la bomba, se puede lograr una salida de láser de mayor potencia, y el láser es portátil y duradero".
Aplicaciones potenciales
Los láseres de piedras preciosas de titanio a escala de chip tienen una amplia gama de aplicaciones, desde tecnologías cuánticas como la computación cuántica y los relojes atómicos hasta aplicaciones médicas como la tomografía de coherencia óptica y la microscopía de dos fotones.
"Es de esperar que esta tecnología madure y se utilice en estos campos en los próximos años", afirmó Yang. Después de graduarse este verano, trabajará para Brightlight Photonics, una empresa que trabajará para facilitar la comercialización de láseres de piedras preciosas de titanio a escala de chip.
Actualmente, Jelena Vučković y su equipo de investigación están trabajando en un láser de titanio a escala de chip con modo sintonizable.
Los láseres pulsados "abrirán nuevas oportunidades para las aplicaciones del láser en la tecnología cuántica, el procesamiento de información clásico y la biomedicina", afirmó el profesor Vučković.
