स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय में इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग के प्रोफेसर जेलेना वुस्कोविक के नेतृत्व में शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक चिप पर टाइटेनियम रत्न (टीआई: नीलमणि) लेजर के एकीकरण का बीड़ा उठाया है (जिसे हरे लेजर पॉइंटर के साथ पंप किया जा सकता है)। वर्तमान में उपलब्ध किसी भी अन्य टाइटेनियम रत्न लेजर की तुलना में, यह प्रोटोटाइप परिमाण के चार ऑर्डर छोटे (यानी, मूल का एक हजारवां हिस्सा) और लागत में कम परिमाण के तीन ऑर्डर (यानी, मूल का एक हजारवां हिस्सा) है।
टाइटेनियम रत्न लेजर, अपने उच्च लाभ बैंडविड्थ और अल्ट्राफास्ट पल्स आउटपुट के कारण, अत्याधुनिक क्वांटम ऑप्टिक्स, स्पेक्ट्रोस्कोपी और तंत्रिका विज्ञान जैसे क्षेत्रों में अपरिहार्य हैं। हालाँकि, उनके बड़े आकार और उच्च कीमत (प्रत्येक में सैकड़ों हजारों डॉलर), साथ ही उन्हें पंप करने के लिए उच्च-शक्ति वाले उपकरणों (प्रत्येक लगभग 30 डॉलर में बिकता है, 000) की आवश्यकता ने उनके व्यापक उपयोग को सीमित कर दिया है।
"नैनो और क्वांटम फोटोनिक्स के लिए स्टैनफोर्ड की प्रयोगशाला में, हमने हीरे और सिलिकॉन कार्बाइड जैसी सामग्रियों में ठोस-अवस्था स्पिन क्वांटम बिट्स के आधार पर कई क्वांटम प्रयोग किए हैं। यह प्रयोग वाणिज्यिक टाइटेनियम रत्न लेजर पर काफी हद तक निर्भर करता है।" वुस्कोविक की टीम में पीएचडी छात्र जोशुआ यांग बताते हैं।
महंगे होने के अलावा, टाइटेनियम रत्न लेज़र जटिल होते हैं और उन्हें अच्छी तरह से चलाने के लिए अक्सर नियमित रखरखाव की आवश्यकता होती है। प्रो. वुस्कोविक की शोध टीम बड़ी संख्या में प्रयोग करती है जिसके लिए टाइटेनियम रत्न लेजर के पास पर्याप्त मशीन समय नहीं होता है, और इसलिए उपकरण साझा करना पड़ता है और प्रयोगात्मक कार्यक्रम का प्रबंधन करना पड़ता है। इसके अलावा, क्योंकि प्रयोगों के लिए आवश्यक शक्ति वाणिज्यिक टाइटेनियम रत्न लेज़रों की आउटपुट शक्ति से बहुत कम है, लेज़र आउटपुट को केवल परिमाण के कुछ आदेशों द्वारा ही क्षीण किया जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप लेज़र शक्ति का एक बड़ा हिस्सा बर्बाद हो जाता है।
यांग ने कहा, "चिप-स्केल टाइटेनियम नीलमणि लेजर, उनकी कम लागत, कॉम्पैक्टनेस और स्थिरता के कारण, वर्तमान में हमारे सटीक प्रयोगों के लिए नियोजित वाणिज्यिक टाइटेनियम रत्न लेजर सिस्टम को प्रतिस्थापित कर सकते हैं।"
चित्र 1: प्रोफेसर जेलेना वुस्कोविक की शोध टीम द्वारा विकसित चिप-स्केल टाइटेनियम रत्न लेजर। लेज़र एक टाइटेनियम रत्न पर विकर्ण रूप से टिका हुआ है, दोनों एक चौथाई पर टिके हुए हैं।
चतुर लेजर डिजाइन
टीम द्वारा विकसित चिप-स्केल लेजर में दो मुख्य भाग होते हैं: एक वेवगाइड और एक रिंग रेज़ोनेटर।
टाइटेनियम रत्नों की एक परत सिलिकॉन डाइऑक्साइड (SiO2) सब्सट्रेट पर रखी जाती है, जिसे बाद में नीलमणि क्रिस्टल पर रखा जाता है। टाइटेनियम रत्न की परत को केवल कुछ सौ नैनोमीटर की मोटाई में पीसकर, तराशकर और पॉलिश किया जाता है। फिर इसे एक वेवगाइड के साथ पैटर्न दिया गया, जो छोटी-छोटी लकीरों के भंवर के रूप में कार्य करता है जो प्रकाश को इसके माध्यम से यात्रा करते समय मार्गदर्शन करता है।
वेवगाइड को गर्म करने के लिए एक लघु हीटर का उपयोग किया जाता है, जो वेवगाइड के अपवर्तक सूचकांक और वेवगाइड के माध्यम से प्रकाश की गति को बदल देता है, ताकि आउटपुट तरंगदैर्घ्य को लाल से लेकर अवरक्त (वर्तमान में समायोज्य) तक तरंगदैर्घ्य की एक श्रृंखला में समायोजित किया जा सके। 60 एनएम तक)।
"सर्पिल आकार का वेवगाइड लेजर के लिए एक एम्पलीफायर के बराबर है, और जैसे-जैसे लेजर गुजरता है, शक्ति बढ़ती जाती है।" यांग बताते हैं, "रिंग रेज़ोनेटर माइक्रोहीटर्स के माध्यम से लेजर की तरंग दैर्ध्य को नियंत्रित करने के लिए एक फिल्टर के रूप में और लेजर के लिए एक गुंजयमान गुहा के रूप में कार्य करता है - लेजर ट्रांसमिशन के लिए रीसर्क्युलेशन पथ के रूप में कार्य करता है।"
चित्र 2: एक टाइटेनियम रत्न वेवगाइड एम्पलीफायर की ऑप्टिकल छवि जिसकी माप 0.5मिमी x 0.5मिमी है।
चिप-स्केल टाइटेनियम रत्न लेज़रों के लिए चुनौतियाँ
टाइटेनियम रत्न लेजर के साथ सबसे बड़ी कठिनाई यह है कि उन्हें संचालित करने के लिए उच्च तीव्रता वाले पंपिंग की आवश्यकता होती है। उच्च परिशुद्धता वेवगाइड के माध्यम से टाइटेनियम रत्न लेजर तकनीक को साकार करके, अनुसंधान टीम ने दो महत्वपूर्ण सफलताएँ हासिल कीं:
सबसे पहले, चूंकि पंपिंग तीव्रता क्षेत्र द्वारा विभाजित शक्ति है, टाइटेनियम रत्न ऑप्टिकल वेवगाइड का उपयोग करने से पंपिंग क्षेत्र काफी कम हो जाता है। "इसका मतलब है कि वाणिज्यिक टाइटेनियम रत्न प्रणालियों के समान पंपिंग तीव्रता प्राप्त करने के लिए केवल कम शक्ति (लगभग 1000 गुना कम) की आवश्यकता होती है।" यांग बताते हैं, "तो एक सस्ता हरा प्रकाश अर्धचालक लेजर भी इस चिप-स्केल लेजर को पंप करने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली है।"
दूसरा, टाइटेनियम रत्न लेजर को चिप पर एकीकृत किया गया है। "चिप-स्केल नीलमणि लेजर (अधिक चलती भागों के बिना) में बड़े पैमाने पर वेफर-स्तरीय अर्धचालक विनिर्माण के लिए वाणिज्यिक लेजर द्वारा बेजोड़ लघुकरण, स्केलेबिलिटी और स्थायित्व है।" यांग ने जोड़ा।
यांग के लिए, इस काम का मुख्य आकर्षण क्वांटम प्रयोगों के लिए इस चिप-स्केल टाइटेनियम रत्न लेजर का उपयोग है। उन्होंने कहा, "एक जटिल कैविटी क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स (क्यूईडी) प्रयोग में एक भारी वाणिज्यिक लेजर सिस्टम की जगह लेने वाले इस छोटे उपकरण को देखना एक बड़ा आश्चर्य था। क्योंकि हमने जो चिप-स्केल लेजर विकसित किया है, वह वास्तव में असाधारण है।"
क्वांटम प्रयोगों के लिए चिप-स्केल टाइटेनियम रत्न लेजर को वास्तव में उपयोगी बनाने के लिए वुस्कोविक की अनुसंधान टीम को जिन चुनौतियों से पार पाना था उनमें से एक पंप स्रोत के युग्मन को अनुकूलित करना था। "प्रयोगों के लिए, लेजर को एक मुक्त-स्थान प्रकाश पथ के माध्यम से पंप किया जाता है," यांग कहते हैं, "लेकिन फोटोनिक पैकेजिंग तकनीक के साथ, एक हरे प्रकाश अर्धचालक लेजर को एकीकृत करना संभव है जो चिप-स्केल टाइटेनियम रत्न के लिए पंप स्रोत के रूप में कार्य करता है लेजर। पैकेजिंग सिस्टम और पंप स्रोत के युग्मन को अनुकूलित करके, उच्च शक्ति लेजर आउटपुट प्राप्त किया जा सकता है, और लेजर पोर्टेबल और टिकाऊ दोनों है।"
संभावित अनुप्रयोग
चिप-स्केल टाइटेनियम रत्न लेजर में अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला होती है, क्वांटम प्रौद्योगिकियों जैसे क्वांटम कंप्यूटिंग और परमाणु घड़ियों से लेकर ऑप्टिकल सुसंगतता टोमोग्राफी और दो-फोटॉन माइक्रोस्कोपी जैसे चिकित्सा अनुप्रयोगों तक।
यांग ने कहा, "उम्मीद है कि यह तकनीक परिपक्व हो जाएगी और अगले कुछ वर्षों में इन क्षेत्रों में इसका उपयोग किया जाएगा।" इस गर्मी में स्नातक होने के बाद, वह ब्राइटलाइट फोटोनिक्स के लिए काम करेंगे, जो एक कंपनी है जो चिप-स्केल टाइटेनियम रत्न लेजर के व्यावसायीकरण की सुविधा के लिए काम करेगी।
वर्तमान में, जेलेना वुस्कोविक और उनकी शोध टीम एक ट्यूनेबल मोड-लॉक चिप-स्केल टाइटेनियम लेजर पर काम कर रही है।
स्पंदित लेजर "क्वांटम प्रौद्योगिकी, शास्त्रीय सूचना प्रसंस्करण और बायोमेडिसिन में लेजर अनुप्रयोगों के लिए नए अवसर खोलेंगे," प्रोफेसर वुस्कोविक ने कहा।
