1960 के दशक से लेज़रों ने दुनिया में क्रांति ला दी है और अब वे अत्याधुनिक सर्जरी और सटीक विनिर्माण से लेकर फाइबर-ऑप्टिक डेटा ट्रांसमिशन तक के आधुनिक अनुप्रयोगों के लिए अपरिहार्य उपकरण हैं।
लेकिन जैसे-जैसे लेजर अनुप्रयोगों की मांग बढ़ती है, वैसे-वैसे चुनौतियां भी बढ़ती हैं। उदाहरण के लिए, फाइबर लेजर का बाजार बढ़ रहा है, जिसका उपयोग अब मुख्य रूप से औद्योगिक कटिंग, वेल्डिंग और मार्किंग अनुप्रयोगों में किया जाता है।
फाइबर लेजर ऑप्टिकल फाइबर का उपयोग दुर्लभ पृथ्वी तत्वों (एर्बियम, यटरबियम, नियोडिमियम, आदि) के साथ ऑप्टिकल लाभ स्रोत (लेजर प्रकाश उत्पन्न करने वाला भाग) के रूप में करते हैं। फाइबर लेजर उच्च आउटपुट पावर, उच्च दक्षता, कम रखरखाव, स्थायित्व के साथ उच्च गुणवत्ता वाली किरणें उत्सर्जित करते हैं, और आमतौर पर गैस लेजर से छोटे होते हैं। फाइबर लेजर कम चरण शोर के लिए "स्वर्ण मानक" भी हैं, जिसका अर्थ है कि उनकी किरणें लंबे समय तक स्थिर रह सकती हैं।
इसके बावजूद, चिप-स्केल फाइबर लेज़र के लघुकरण की मांग बढ़ रही है। एरबियम-आधारित फाइबर लेज़र विशेष रूप से दिलचस्प हैं क्योंकि वे लेज़र की सुसंगतता और स्थिरता को उच्च बनाए रखने के लिए सभी आवश्यकताओं को पूरा करते हैं। हालाँकि, छोटे पैमाने पर फाइबर लेज़र के प्रदर्शन को कैसे बनाए रखा जाए, यह लघुकृत फाइबर लेज़रों के लिए एक चुनौती रही है।
अब, ईपीएफएल में डॉ. यांग लियू और प्रो. टोबियास किपेनबर्ग के नेतृत्व में वैज्ञानिकों ने पहली चिप-एकीकृत एर्बियम-डोप्ड वेवगाइड लेजर का निर्माण किया है, जिसका प्रदर्शन फाइबर लेजर के करीब है, जबकि व्यापक तरंगदैर्ध्य ट्यूनेबिलिटी और चिप-स्केल फोटोनिक एकीकरण की उपयोगिता को मिलाया गया है। यह अध्ययन नेचर फोटोनिक्स में प्रकाशित हुआ था।
चिप-स्केल लेज़र का निर्माण
शोधकर्ताओं ने अत्याधुनिक निर्माण प्रक्रियाओं का उपयोग करके चिप-स्केल एर्बियम लेजर विकसित किया। उन्होंने सबसे पहले अल्ट्रा-लो-लॉस सिलिकॉन नाइट्राइड फोटोनिक इंटीग्रेटेड सर्किट के आधार पर एक मीटर लंबी ऑन-चिप ऑप्टिकल कैविटी (ऑप्टिकल फीडबैक प्रदान करने वाले दर्पणों का एक सेट) का निर्माण किया।
डॉ. यांग लियू ने कहा, "छोटे चिप आकार के बावजूद, हम इन माइक्रोविया रेज़ोनेटरों के एकीकरण के कारण लेजर गुहा को एक मीटर लंबा डिजाइन करने में सक्षम थे, जो डिवाइस को भौतिक रूप से बड़ा किए बिना ऑप्टिकल पथ को प्रभावी ढंग से बढ़ाते हैं।"
इसके बाद टीम ने लेज़िंग के लिए ज़रूरी सक्रिय लाभ माध्यम को चुनिंदा रूप से उत्पन्न करने के लिए सर्किट में एर्बियम आयनों की उच्च सांद्रता प्रत्यारोपित की। अंत में, उन्होंने एर्बियम आयनों को उत्तेजित करने के लिए सर्किट को ग्रुप III-V सेमीकंडक्टर-पंप वाले लेजर के साथ एकीकृत किया ताकि प्रकाश उत्सर्जित किया जा सके और लेजर बीम का उत्पादन किया जा सके।
लेजर के प्रदर्शन को परिष्कृत करने और सटीक तरंगदैर्घ्य नियंत्रण प्राप्त करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक अभिनव इंट्राकेविटी डिजाइन तैयार किया, जिसमें एक माइक्रोपोरस वर्नियर-आधारित फिल्टर, एक ऑप्टिकल फिल्टर है जो एक विशिष्ट ऑप्टिकल आवृत्ति के चयन की अनुमति देता है।
यह फ़िल्टर लेजर तरंगदैर्घ्य की एक विस्तृत श्रृंखला पर गतिशील ट्यूनिंग की अनुमति देता है, जिससे यह बहुमुखी और विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हो जाता है। यह डिज़ाइन केवल 50 हर्ट्ज की प्रभावशाली संकीर्ण आंतरिक लाइनविड्थ के साथ स्थिर सिंगल-मोड लेजर का समर्थन करता है।
इसमें महत्वपूर्ण साइड-मोड दमन भी शामिल है, जहां लेजर अन्य आवृत्तियों ("साइड मोड") की तीव्रता को कम करते हुए एकल, स्थिर आवृत्ति पर प्रकाश उत्सर्जित करने में सक्षम है। यह उच्च परिशुद्धता अनुप्रयोगों के लिए संपूर्ण स्पेक्ट्रल रेंज में "स्वच्छ" और स्थिर आउटपुट सुनिश्चित करता है।
एरबियम-डोप्ड फोटोनिक एकीकृत सर्किट पर आधारित एक हाइब्रिड एकीकृत लेजर की ऑप्टिकल छवि, जो फाइबर लेजर की सुसंगतता और पहले अप्राप्य आवृत्ति ट्यूनेबिलिटी प्रदान करती है।
शक्ति, परिशुद्धता, स्थिरता और कम शोर
चिप-स्केल अर्बियम फाइबर लेजर की आउटपुट शक्ति 10 mW से अधिक है और साइड-मोड अस्वीकृति अनुपात 70 dB से अधिक है, जो कई पारंपरिक प्रणालियों से बेहतर है।
इसकी लाइनविड्थ भी बहुत संकीर्ण है, जिसका अर्थ है कि इससे उत्सर्जित प्रकाश बहुत शुद्ध और स्थिर है, जो संवेदन, जाइरोस्कोप, LIDAR और ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी मेट्रोलॉजी जैसे सुसंगत अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है।
माइक्रो-अपर्चर-आधारित वर्नियर फिल्टर लेजर को सी-बैंड और एल-बैंड (दूरसंचार के लिए प्रयुक्त तरंगदैर्घ्य रेंज) दोनों में 40 एनएम की व्यापक तरंगदैर्घ्य ट्यूनेबिलिटी प्रदान करता है, जो ट्यूनिंग और कम स्पेक्ट्रल स्पाइक मेट्रिक्स ("स्पाइक्स" अवांछित आवृत्तियां हैं) दोनों में पारंपरिक फाइबर लेजर से बेहतर प्रदर्शन करता है, जबकि साथ ही वर्तमान अर्धचालक विनिर्माण प्रक्रियाओं के साथ संगत बना रहता है।
अगली पीढ़ी के लेज़र
एरबियम फाइबर लेजर को चिप-स्केल उपकरणों में लघुकृत और एकीकृत करने से उनकी समग्र लागत कम हो जाती है, जिससे उन्हें दूरसंचार, चिकित्सा निदान और उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में पोर्टेबल, उच्च एकीकृत प्रणालियों में उपयोग करने की अनुमति मिलती है।
यह विभिन्न अन्य अनुप्रयोगों, जैसे कि LIDAR, माइक्रोवेव फोटोनिक्स, ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी संश्लेषण और फ्री-स्पेस संचार के लिए ऑप्टिकल प्रौद्योगिकी का आकार भी छोटा कर सकता है।
