Onlangs hebben onderzoekers van Stanford University een doorbraak bereikt op het gebied van laserfabricage.
Ze zijn erin geslaagd een titanium-saffierlaser op een chip te ontwikkelen en te fabriceren. Deze innovatie verkleint niet alleen de afmetingen van de laser met vier ordes van grootte (d.w.z. tot een tienduizendste van de oorspronkelijke grootte), maar verlaagt ook de kosten met drie ordes van grootte (d.w.z. tot slechts een duizendste van de oorspronkelijke prijs).
"Dit is een disruptieve doorbraak in het traditionele paradigma," aldus Prof. Jelena Vuckovic, hoogleraar Global Leadership en een vooraanstaand autoriteit op het gebied van elektrotechniek. Als hoofdauteur van het artikel waarin deze chip-scale titanium saffierlaser in het tijdschrift Nature wordt beschreven, is ze enthousiast over de toekomst: "Binnenkort kan elk lab honderden van deze high-performance lasers op één chip hebben, in plaats van te vertrouwen op omvangrijke en dure conventionele apparatuur. Het zal ook ongelooflijk eenvoudig te bedienen zijn en het zal zelfs mogelijk zijn om het aan te sturen met een groene laserpointer."
Joshua Yang, een Ph.D.-kandidaat in het lab, gaat verder in op de verstrekkende implicaties van deze technologie: "Deze krachtige lasers kunnen worden gebruikt in een breed scala aan belangrijke toepassingen tegen een fractie van de kosten, nu we de overstap maken van apparaten van desktopklasse naar het maken van productieklare producten op een chip." Hij werkte aan dit baanbrekende onderzoek met collega's in het Nanoscale and Quantum Photonics Laboratory van Prof. Vuckovic, waaronder onderzoeksingenieur Kasper Van Gasse en postdoctoraal onderzoeker Daniil M. Lukin.
Technisch gezien worden titanium saffier lasers bevoordeeld omdat ze de grootste "gain bandbreedte" hebben van alle laserkristallen. Dit betekent dat titanium saffier lasers een breder bereik aan golflengtes kunnen produceren dan andere lasers. Bovendien worden hun lichtpulsen extreem snel uitgezonden, eens per biljoenste van een seconde. Deze uitstekende prestatiekenmerken zullen ongetwijfeld enorm bijdragen aan de wijdverbreide toepassing en diepgaande ontwikkeling van lasertechnologie in verschillende vakgebieden.
Om dit nieuwe type laser te bouwen, bedekten ze eerst een laag echte saffierkristallen met een laag titaniumsaffier op een siliciumdioxideplatform. De titaniumsaffier werd vervolgens fijngeslepen, geëtst en gepolijst en gereduceerd tot een ultradunne laag van slechts een paar honderd nanometer dik. Direct daarna patroonde het team de golfgeleider nauwgezet in deze ultradunne laag materiaal.
Dit geminiaturiseerde ontwerp biedt aanzienlijke voordelen. Vanuit een wiskundig standpunt is intensiteit de verhouding van vermogen tot oppervlakte. Dus, terwijl het vermogen van een grootschalige laser hetzelfde blijft, zal de intensiteit van de laser aanzienlijk toenemen vanwege het kleinere oppervlak. De onderzoekers merkten op: "De kleine omvang van de laser helpt ons daadwerkelijk de efficiëntie te verbeteren."
Om de prestaties van de laser verder te verbeteren, heeft het onderzoeksteam bovendien een miniatuurverwarmingselement ingebouwd. Dit verwarmingselement verwarmt het licht dat door de golfgeleider gaat, waardoor het team van Jelena Vuckovic de flexibiliteit heeft om de golflengte van het uitgezonden licht aan te passen tussen 700-1000 nanometer.
Deze titanium saffierlaser op een microchip toont veelbelovende toepassingen in verschillende vakgebieden. In de kwantumfysica biedt het een goedkope en praktische oplossing voor het verkleinen van state-of-the-art kwantumcomputers. En op het gebied van neurowetenschappen voorzien Stanford-onderzoekers de directe toepassing ervan in optogenetica, een vakgebied waarmee wetenschappers neuronale activiteit in de hersenen kunnen controleren en beïnvloeden door middel van licht, ondanks de relatieve omvang van de glasvezelapparaten die momenteel algemeen worden gebruikt.
Vooruitkijkend zal het team doorgaan met het verfijnen van het ontwerp van de chip-scale titanium saffierlasers en de mogelijkheid onderzoeken om ze massaal te produceren op wafers, duizenden lasers tegelijk. Deze zomer zal Joshua Yang een doctoraat behalen op basis van dit onderzoek en werken aan het op de markt brengen van deze technologie. "We kunnen duizenden lasers op een 4-inch wafer plaatsen, en de kosten per laser zullen bijna nul zijn," zegt hij vol vertrouwen. Dit zal ongetwijfeld een technologische revolutie teweegbrengen."
Vertaald met www.DeepL.com/Translator (gratis versie)
