ทีมนักวิจัยที่นำโดย Jelena Vučković ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด ได้บุกเบิกการรวมเลเซอร์พลอยไทเทเนียม (Ti:sapphire) เข้ากับชิป (ซึ่งสามารถปั๊มด้วยตัวชี้เลเซอร์สีเขียว) เมื่อเปรียบเทียบกับเลเซอร์อัญมณีไทเทเนียมอื่นๆ ที่มีอยู่ในปัจจุบัน เครื่องต้นแบบนี้มีขนาดเล็กกว่าสี่ลำดับ (เช่น หนึ่งในหมื่นของต้นฉบับ) และสามลำดับที่มีขนาดต่ำกว่า (เช่น หนึ่งในพันของต้นฉบับ)
เลเซอร์อัญมณีไทเทเนียมมีแบนด์วิดธ์อัตราขยายสูงและเอาต์พุตพัลส์ที่เร็วเป็นพิเศษ เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในสาขาต่างๆ เช่น เลนส์ควอนตัมที่ล้ำสมัย สเปกโทรสโกปี และประสาทวิทยาศาสตร์ อย่างไรก็ตาม ขนาดใหญ่และราคาสูง (เครื่องละหลายแสนดอลลาร์) ตลอดจนความต้องการอุปกรณ์กำลังสูง (แต่ละเครื่องขายในราคาประมาณ 30 ดอลลาร์000) เพื่อสูบฉีดอุปกรณ์เหล่านั้น ได้จำกัดการใช้งานอย่างแพร่หลาย
"ที่ห้องปฏิบัติการนาโนและควอนตัมโฟโตนิกส์ของสแตนฟอร์ด เราได้ทำการทดลองควอนตัมหลายครั้งโดยใช้บิตควอนตัมสปินโซลิดสเตตในวัสดุ เช่น เพชรและซิลิคอนคาร์ไบด์ การทดลองนี้อาศัยเลเซอร์อัญมณีไทเทเนียมเชิงพาณิชย์อย่างมาก" Joshua Yang นักศึกษาปริญญาเอกในทีมของVučković อธิบาย
นอกจากจะมีราคาแพงแล้ว เลเซอร์อัญมณีไทเทเนียมยังมีความซับซ้อนและมักต้องมีการบำรุงรักษาเป็นประจำเพื่อให้เลเซอร์ทำงานได้ดีศาสตราจารย์ ทีมวิจัยของVučkovićทำการทดลองจำนวนมากโดยที่เลเซอร์อัญมณีไทเทเนียมมีเวลาเครื่องจักรไม่เพียงพอ ดังนั้นจึงต้องแบ่งปันอุปกรณ์และจัดการตารางการทดลอง นอกจากนี้ เนื่องจากพลังงานที่จำเป็นสำหรับการทดลองต่ำกว่ากำลังเอาต์พุตของเลเซอร์อัญมณีไทเทเนียมเชิงพาณิชย์อย่างมาก เอาต์พุตเลเซอร์จึงสามารถลดทอนลงได้เพียงไม่กี่ขนาดเท่านั้น ส่งผลให้พลังงานเลเซอร์ส่วนใหญ่สูญเปล่า
Yang กล่าวว่า "เลเซอร์ไทเทเนียมแซฟไฟร์ขนาดชิปที่มีต้นทุนต่ำ ขนาดกะทัดรัด และมีเสถียรภาพ สามารถทดแทนระบบเลเซอร์อัญมณีไทเทเนียมเชิงพาณิชย์ที่ใช้อยู่ในปัจจุบันสำหรับการทดลองที่แม่นยำของเราได้"
รูปที่ 1: เลเซอร์พลอยไทเทเนียมขนาดชิปที่พัฒนาโดยทีมวิจัยของ Prof. Jelena Vučković เลเซอร์วางในแนวทแยงกับพลอยไทเทเนียม โดยทั้งสองวางอยู่บนหนึ่งในสี่
การออกแบบเลเซอร์ที่ชาญฉลาด
เลเซอร์ระดับชิปที่พัฒนาโดยทีมงานประกอบด้วยสองส่วนหลัก ได้แก่ ท่อนำคลื่นและตัวสะท้อนเสียงแบบวงแหวน
ชั้นของอัญมณีไทเทเนียมวางอยู่บนพื้นผิวของซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO2) ซึ่งจากนั้นจึงวางลงบนคริสตัลแซฟไฟร์ ชั้นพลอยไทเทเนียมนั้นถูกบด แกะสลัก และขัดให้มีความหนาเพียงไม่กี่ร้อยนาโนเมตร จากนั้นมันถูกสร้างลวดลายด้วยท่อนำคลื่น ซึ่งทำหน้าที่เป็นกระแสน้ำวนของสันเขาเล็กๆ ที่นำทางแสงในขณะที่มันเดินทางผ่าน
เครื่องทำความร้อนขนาดเล็กใช้ในการให้ความร้อนกับท่อนำคลื่น ซึ่งเปลี่ยนดัชนีการหักเหของท่อนำคลื่นและความเร็วที่แสงเดินทางผ่านท่อนำคลื่น เพื่อให้สามารถปรับความยาวคลื่นเอาท์พุตได้ในช่วงความยาวคลื่นตั้งแต่สีแดงไปจนถึงอินฟราเรด (ปัจจุบันสามารถปรับได้ ถึง 60 นาโนเมตร)
"ท่อนำคลื่นรูปทรงเกลียวเทียบเท่ากับเครื่องขยายสัญญาณสำหรับเลเซอร์ และกำลังจะเพิ่มขึ้นเมื่อเลเซอร์ผ่านไป" Yang อธิบายว่า "เครื่องสะท้อนเสียงแบบวงแหวนทำหน้าที่เป็นทั้งตัวกรองเพื่อปรับความยาวคลื่นของเลเซอร์ผ่านเครื่องทำความร้อนขนาดเล็ก และเป็นช่องเรโซแนนซ์สำหรับเลเซอร์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นเส้นทางหมุนเวียนสำหรับการส่งสัญญาณเลเซอร์"
รูปที่ 2: ภาพเชิงแสงของเครื่องขยายสัญญาณท่อนำคลื่นอัญมณีไทเทเนียม ขนาด 0.5 มม. x 0.5 มม.
ความท้าทายสำหรับเลเซอร์อัญมณีไทเทเนียมขนาดชิป
ปัญหาที่ใหญ่ที่สุดของเลเซอร์อัญมณีไทเทเนียมคือต้องใช้การปั๊มที่มีความเข้มสูงในการทำงาน ด้วยการตระหนักถึงเทคโนโลยีเลเซอร์อัญมณีไทเทเนียมผ่านท่อนำคลื่นที่มีความแม่นยำสูง ทีมวิจัยได้บรรลุความก้าวหน้าที่สำคัญสองประการ:
ประการแรก เนื่องจากความเข้มของการปั๊มคือกำลังที่หารด้วยพื้นที่ การใช้ท่อนำคลื่นแสงของพลอยไทเทเนียมจะช่วยลดพื้นที่การสูบได้อย่างมาก "ซึ่งหมายความว่าจำเป็นต้องใช้พลังงานน้อยลงเท่านั้น (น้อยกว่าประมาณ 1,000 เท่า) เพื่อให้ได้ความเข้มข้นในการปั๊มที่ใกล้เคียงกับระบบอัญมณีไทเทเนียมในเชิงพาณิชย์" Yang อธิบายว่า "แม้แต่เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แสงสีเขียวราคาถูกก็มีพลังมากพอที่จะปั๊มเลเซอร์ขนาดชิปนี้ได้"
ประการที่สอง เลเซอร์อัญมณีไทเทเนียมถูกรวมเข้ากับชิป "เลเซอร์แซฟไฟร์ขนาดชิป (ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวมากขึ้น) มีการย่อขนาด ความสามารถในการขยายขนาด และความทนทานที่ไม่มีใครเทียบได้กับเลเซอร์เชิงพาณิชย์สำหรับการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ระดับเวเฟอร์ขนาดใหญ่" หยางกล่าวเสริม
สำหรับ Yang จุดเด่นของงานนี้คือการใช้เลเซอร์อัญมณีไทเทเนียมขนาดชิปสำหรับการทดลองควอนตัม เขากล่าวว่า "เป็นเรื่องน่าประหลาดใจอย่างยิ่งที่ได้เห็นอุปกรณ์ขนาดเล็กนี้เข้ามาแทนที่ระบบเลเซอร์เชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่ในการทดลองไฟฟ้าพลศาสตร์ควอนตัมแบบโพรงที่ซับซ้อน (QED) เนื่องจากเลเซอร์ขนาดชิปที่เราพัฒนาขึ้นนั้นมีความพิเศษอย่างแท้จริง"
หนึ่งในความท้าทายที่ทีมวิจัยของVučkovićต้องเอาชนะเพื่อทำให้เลเซอร์อัญมณีไทเทเนียมขนาดชิปสามารถใช้งานได้จริงสำหรับการทดลองควอนตัมคือการปรับการเชื่อมต่อของแหล่งกำเนิดปั๊มให้เหมาะสม Yang กล่าว "สำหรับการทดลอง เลเซอร์จะถูกปั๊มผ่านเส้นทางแสงในพื้นที่ว่าง แต่ด้วยเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์โฟโตนิก จึงเป็นไปได้ที่จะรวมเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แสงสีเขียวที่ทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดปั๊มสำหรับอัญมณีไทเทเนียมขนาดชิป เลเซอร์สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการเชื่อมต่อของระบบบรรจุภัณฑ์และแหล่งกำเนิดปั๊มได้ และเลเซอร์มีทั้งแบบพกพาและทนทาน"
การใช้งานที่เป็นไปได้
เลเซอร์อัญมณีไทเทเนียมขนาดชิปมีการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่เทคโนโลยีควอนตัม เช่น การคำนวณควอนตัมและนาฬิกาอะตอม ไปจนถึงการใช้งานทางการแพทย์ เช่น เอกซเรย์การเชื่อมโยงกันด้วยแสงและกล้องจุลทรรศน์โฟตอนสองโฟตอน
“หวังว่าเทคโนโลยีนี้จะเติบโตเต็มที่และนำไปใช้ในสาขาเหล่านี้ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า” หยางกล่าว หลังจากสำเร็จการศึกษาในช่วงซัมเมอร์นี้ เขาจะทำงานให้กับ Brightlight Photonics ซึ่งเป็นบริษัทที่จะดำเนินการเพื่ออำนวยความสะดวกในการจำหน่ายเลเซอร์อัญมณีไทเทเนียมขนาดชิป
ปัจจุบัน Jelena Vučkovićและทีมวิจัยของเธอกำลังทำงานเกี่ยวกับเลเซอร์ไทเทเนียมขนาดชิปล็อคโหมดที่ปรับได้
เลเซอร์พัลซ์ "จะเปิดโอกาสใหม่สำหรับการใช้งานเลเซอร์ในเทคโนโลยีควอนตัม การประมวลผลข้อมูลแบบดั้งเดิม และชีวการแพทย์" ศาสตราจารย์ Vučković กล่าว
