הלייזר החדש נשען על גוש טיטניום-ספיר. עבור קנה מידה, שניהם יושבים על גבי רבע. קרדיט: Yang et al., טֶבַע
בקפיצה אחת משולחן העבודה למיקרוסקאל, מהנדסים מאוניברסיטת סטנפורד ייצרו את הלייזר המעשי הראשון בעולם של טיטניום-ספיר על שבב.
חוקרים פיתחו לייזר טיטניום-ספיר בקנה מידה שבב קטן יותר וזול יותר מדגמים מסורתיים, מה שהופך אותו לנגיש ליישומים רחבים יותר באופטיקה קוונטית, מדעי המוח ותחומים אחרים. טכנולוגיה חדשה זו צפויה לאפשר למעבדות להחזיק מאות מהלייזרים החזקים הללו על שבב בודד, המונעים על ידי מצביע לייזר ירוק פשוט.
ככל שהלייזרים הולכים, אלו העשויים מטיטניום-ספיר (Ti:sapphire) נחשבים לבעלי ביצועים "חסרי תחרות". הם הכרחיים בתחומים רבים, כולל אופטיקה קוונטית מתקדמת, ספקטרוסקופיה ומדעי המוח. אבל לביצועים האלה יש מחיר יקר. לייזרים Ti:sapphire הם גדולים, בסדר גודל של רגל מעוקב בנפח. הם יקרים, עולים מאות אלפי דולרים כל אחד. והם דורשים לייזרים בעלי עוצמה גבוהה אחרים, בעצמם בעלות של 30,000 דולר כל אחד, כדי לספק להם מספיק אנרגיה כדי לתפקד.
פריצת דרך בטכנולוגיית הלייזר
כתוצאה מכך, לייזרים Ti:sapphire מעולם לא השיגו את האימוץ הרחב בעולם האמיתי שהם ראויים להם – עד עכשיו. בקפיצת מדרגה דרמטית קדימה בהיקף, ביעילות ובמחיר, חוקרים מאוניברסיטת סטנפורד בנו לייזר Ti:sapphire על שבב. אב הטיפוס קטן בארבעה סדרי גודל (10,000x) ושלוש הזמנות פחות יקר (1,000x) מכל לייזר Ti:sapphire שיוצר אי פעם.
מזעור מהפכני והפחתת עלויות
"זוהי סטייה מוחלטת מהמודל הישן", אמרה ילנה ווצ'קוביץ', פרופסור ג'נסן הואנג למנהיגות גלובלית, פרופסור להנדסת חשמל, ומחברת בכירה של המאמר המציג את הלייזר Ti:sapphire בקנה מידה שבב שפורסם בכתב העת טֶבַע. "במקום לייזר אחד גדול ויקר, כל מעבדה עשויה לקבל בקרוב מאות לייזרים יקרי ערך אלה על שבב בודד. ואתה יכול לתדלק את הכל עם מצביע לייזר ירוק".
"כשאתה קופץ מגודל שולחן ומייצר משהו על שבב בעלות כל כך נמוכה, זה מכניס את הלייזרים החזקים האלה להרבה יישומים חשובים שונים", אמר ג'ושוע יאנג, מועמד לדוקטורט במעבדה של ווצ'קוביץ' והראשון. מחבר המחקר יחד עם עמיתיו של ווצ'קוביץ' של מעבדת הפוטוניקה הננומטרית והקוואנטית, מהנדס המחקר קספר ואן גאסה והפוסט-דוקטורט דניאל מ. לוקין.
יתרונות טכניים ופוטנציאל ייצור המוני
במונחים טכניים, לייזרים Ti:sapphire הם כל כך יקרי ערך מכיוון שיש להם את "רוחב הפס הרווח" הגדול ביותר מכל גביש לייזר, הסביר יאנג. במילים פשוטות, רוחב הפס של רווח מתורגם למגוון רחב יותר של צבעים שהלייזר יכול להפיק בהשוואה ללייזרים אחרים. זה גם מהיר במיוחד, אמר יאנג. פעימות אור יוצאות כל רביעיית שנייה.
אבל גם לייזרים Ti:sapphire קשה להשיג. אפילו למעבדה של ווצ'קוביץ', שעושה ניסויים חדשניים באופטיקה קוונטית, יש רק כמה מהלייזרים היקרים האלה לשתף. לייזר Ti:sapphire החדש מתאים לשבב שנמדד במילימטרים רבועים. אם החוקרים יצליחו לייצר אותם בהמוניהם על פרוסות, אלפי, אולי עשרות אלפי לייזרים Ti:sapphire עלולים להיסחט על דיסק שנכנס לכף יד אדם.
"שבב הוא קל. זה נייד. זה לא יקר וזה יעיל. אין חלקים נעים. וניתן לייצר אותו המוני", אמר יאנג. "מה לא לאהוב? זה עושה דמוקרטיזציה של לייזרים Ti:sapphire."
חידושים בייצור
כדי לעצב את הלייזר החדש, החוקרים התחילו עם שכבה בתפזורת של טיטניום-ספיר על פלטפורמה של סיליקון דו חמצני (SiO2), כולם רוכבים על גבי גביש ספיר אמיתי. לאחר מכן הם טוחנים, חורטים ומבריקים את ה-Ti:sapphire לשכבה דקה במיוחד, בעובי של כמה מאות ננומטרים בלבד. לתוך השכבה הדקה הזו, הם יוצרים מערבולת מתערבלת של רכסים זעירים. רכסים אלה הם כמו כבלים סיבים אופטיים, המנחים את האור מסביב ומסביב, בונים בעוצמה. למעשה, הדפוס ידוע בתור מוליך גל.
"באופן מתמטי, עוצמה היא כוח מחולק לפי שטח. אז אם אתה שומר על אותו כוח כמו הלייזר בקנה מידה גדול, אבל מפחית את השטח שבו הוא מרוכז, העוצמה עוברת דרך הגג", אומר יאנג. "קנה המידה הקטן של הלייזר שלנו למעשה עוזר לנו להפוך אותו ליעיל יותר."
החלק שנותר בפאזל הוא מחמם בקנה מידה מיקרו שמחמם את האור העובר דרך מובילי הגלים, ומאפשר לצוות ווצ'קוביץ' לשנות את אורך הגל של האור הנפלט כדי לכוון את צבע האור בכל מקום בין 700 ל-1,000 ננומטר – באדום לאינפרא אדום .
יישומים וצפי עתידי
ווצ'קוביץ', יאנג ועמיתיו מתלהבים ביותר ממגוון השדות שלייזר כזה עשוי להשפיע. בפיזיקה קוונטית, הלייזר החדש מספק פתרון זול ומעשי שיכול להקטין באופן דרמטי את המחשבים הקוונטים המתקדמים. במדעי המוח, החוקרים יכולים לחזות יישום מיידי באופטוגנטיקה, תחום המאפשר למדענים לשלוט על נוירונים באמצעות אור המונחה בתוך המוח על ידי סיבים אופטיים מגושמים יחסית. לייזרים בקנה מידה קטן, הם אומרים, עשויים להשתלב בבדיקות קומפקטיות יותר הפותחות אפיקים ניסויים חדשים. ברפואת עיניים, הוא עשוי למצוא שימוש חדש בהגברת דופק ציוץ זוכת פרס נובל בניתוחי לייזר או להציע טכנולוגיות טומוגרפיה קוהרנטיות אופטית פחות יקרות וקומפקטיות יותר המשמשות להערכת בריאות הרשתית.
בשלב הבא, הצוות עובד על שכלול ה-Ti:sapphire לייזר שלהם בקנה מידה שבב ועל דרכים לייצור המוני שלהם, אלפים בו זמנית, על פרוסות. יאנג יקבל את הדוקטורט שלו הקיץ בהתבסס על מחקר זה ופועל להביא את הטכנולוגיה לשוק.
"נוכל לשים אלפי לייזרים על רקיק אחד בגודל 4 אינץ'", אומר יאנג. "אז העלות ללייזר מתחילה להיות כמעט אפסית. זה די מרגש."
המחברים התורמים כוללים את הפוסט-דוקטורט מליסה א. גוידרי ואת המועמדים לדוקטורט Geun Ho Ahn ואלכסנדר D. White. ווצ'קוביץ' הוא גם חבר ב-Stanford Bio-X, Stanford PULSE Institute וב-Wu Tsai Neurosciences Institute.
המימון למחקר זה באדיבות המכון להנדסה וטכנולוגיה AF Harvey Prize, מלגת הפקולטה של Vannevar Bush ממשרד ההגנה האמריקאי, הסוכנות ל-Defense Research Advanced Research Projects (DARPA), והמשרד למחקר מדעי של חיל האוויר (AFOSR). חלק מעבודה זו בוצע ב-Stanford Nano Shared Facilities (SNSF)/Stanford Nanofabrication Facility (SNF), בתמיכת הקרן הלאומית למדע.
