Yfirlit Leysar hafa gjörbylt heiminum síðan á sjöunda áratugnum og eru nú ómissandi tæki í nútíma forritum, allt frá háþróaðri skurðaðgerð og nákvæmni framleiðslu til ljósleiðaragagnaflutnings. Hins vegar, eftir því sem eftirspurnin eftir laserforritum eykst, koma einnig áskoranir upp. Til dæmis er markaður fyrir trefjaleysir að stækka og þeir eru nú aðallega notaðir við iðnaðarskurð, suðu og merkingar. Trefjaleysir nota ljósleiðara sem eru dópaðir með sjaldgæfum jarðefnum (erbium, ytterbium, neodymium, o.s.frv.) sem ljósstyrksmiðil. Trefjaleysir framleiða hágæða geisla, mikið afköst, mikla afköst, lágan viðhaldskostnað og endingu og eru almennt minni en gasleysir. Trefjaleysir eru einnig „gullstaðall“ fyrir lágfasa hávaða, sem þýðir að geislar þeirra geta verið stöðugir í langan tíma. Þrátt fyrir þetta er vaxandi eftirspurn eftir smæðun trefjaleysis í flísumskala. Erbium-undirstaða trefjaleysir eru sérstaklega áhugaverðir vegna þess að þeir uppfylla allar kröfur til að viðhalda mikilli samfellu og stöðugleika leysisins. Hins vegar, hvernig á að viðhalda frammistöðu trefjaleysis í litlum mæli, hefur alltaf verið áskorun fyrir smækka trefjaleysis.
Nú hefur hópur vísindamanna undir forystu Dr. Yang Liu og prófessors Tobias Kippenberg við EPFL búið til fyrsta flís-samþætta erbium-dópaða bylgjuleiðaraleysirinn sem nálgast frammistöðu trefjaleysis á meðan hann sameinar breiðbylgjulengdarstillingar og hagkvæmni ljóseinda í flísum sameining. Rannsóknin var birt í Nature Photonics.
Mynd af fullbúnum blendingum samþættum erbium leysir sem byggir á kísilnítríð ljóseindaflís, sem veitir trefjaleysissamræmi og tíðnistillingar sem áður var óviðunandi. Heimild: Andrea Bancora og Yang Liu (EPFL).
Að búa til leysir á flísumkvarða
Rannsakendur þróuðu erbium leysir í flísum mæli með nýjustu framleiðsluferlum. Þeir byggðu fyrst eins metra langt optískt holrúm á flís (sett af speglum sem veita sjónræna endurgjöf) á kísilnítríð ljóseindaflís með ofurlítið tap. „Þrátt fyrir smæð flísarinnar gátum við hannað leysiholið þannig að það væri einn metra langt, þökk sé samþættingu þessara örholuómara, sem í raun lengja sjónbrautina án þess að stækka tækið líkamlega,“ sagði Dr. Yang Liu. Liðið græddi síðan háan styrk af erbíumjónum í flísina til að framleiða valinn virka ávinningsmiðilinn sem þarf til leysis. Að lokum samþættu þeir hringrásina með III-V hálfleiðara dæluleysi til að örva erbíumjónirnar, sem veldur því að þær gefa frá sér ljós og framleiða leysigeisla.
Mynd 1: Hybrid samþættur Er:Si3N4 leysir. Heimild: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji o.fl., "A fullkomlega blendingur samþættur erbium-based laser", Nature Photonics (2024). Til að betrumbæta frammistöðu leysisins og gera nákvæma bylgjulengdarstýringu, hugsuðu vísindamennirnir upp nýstárlega innanholahönnun með því að nota Vernier síu sem byggir á örholum, ljóssíu sem getur valið sérstaka ljóstíðni. Þessi sía getur stillt leysibylgjulengdina á breitt svið á virkan hátt, sem gerir hana fjölhæfa og hentar fyrir margs konar notkun. Þessi hönnun styður stöðuga einhams leysigeisla með innri línubreidd sem er aðeins 50 Hz.
Það hefur einnig verulega hliðarstillingu bælingu - leysirinn er fær um að gefa frá sér ljós á einni, stöðugri tíðni en lágmarkar styrkleika annarra tíðna ("hliðarstillingar"). Þetta tryggir „hreint“ og stöðugt framleiðsla yfir allt litrófsviðið fyrir notkun með mikilli nákvæmni.
Mynd 2: Hybrid samþættur Er:Si3N4vernier leysir sem starfar í einni stillingu. Heimild: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji o.fl., "A fullkomlega blendingur samþættur erbium-undirstaða leysir," Nature Photonics (2024). Afl, nákvæmni, stöðugleiki og lítill hávaði. Erbium trefjaleysirinn í flísum mælikvarða hefur meira en 10 mW úttaksstyrk og bælingarhlutfall hliðar sem er meira en 70 dB, sem er betra en mörg hefðbundin kerfi. Það hefur einnig mjög þrönga línubreidd, sem þýðir að ljósið sem það gefur frá sér er mjög hreint og stöðugt, sem er mikilvægt fyrir heildstæða notkun eins og skynjun, gyroscopes, lidar og sjóntíðnimælafræði. Vernier sían sem byggir á örholum gefur leysinum breiðbylgjulengdarstillingar 40 nm á C- og L-bandinu (bylgjulengdarsviðið sem notað er fyrir fjarskipti), sem fer fram úr hefðbundnum trefjaleysisleiðum í stillingu og lágum litrófssporum ("sporar" eru óæskileg tíðni ) á meðan það er áfram samhæft við núverandi framleiðsluferli hálfleiðara.
Mynd 3: Sýning á breiðbandsstillingu leysibylgjulengdar. Heimild: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji, o.fl., "A fullkomlega blendingur samþættur erbium-undirstaða leysir," Nature Photonics (2024). Næsta kynslóð lasers
Smágerð og samþætting erbium trefjaleysis í tæki í flísum gæti dregið úr heildarkostnaði þeirra, sem gerir þá gagnlega fyrir flytjanleg, mjög samþætt kerfi í fjarskiptum, læknisfræðilegum greiningu og rafeindatækni.
Mynd 4: Fullkomlega blendingur samþætt leysir hávaða einkenni og EDWL. Heimild: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji o.fl., „A fullkomlega blendingur samþættur erbium-undirstaða leysir,“ Nature Photonics (2024). Það gæti einnig minnkað sjóntækni fyrir margs konar önnur forrit, svo sem LIDAR, örbylgjuljóseindafræði, sjóntíðnimyndun og fjarskipti í lausu rými. segir Dr. Yang Liu, "Notunarsvæði fyrir þennan nýja erbium-dópaða samþætta leysir eru nánast takmarkalaus."
