Onderzoekers hebben een compacte laser ontwikkeld die licht uitstraalt met een extreme spectrale zuiverheid die niet verandert als reactie op omgevingscondities. De nieuwe potentieel draagbare laser kan een groot aantal wetenschappelijke toepassingen ten goede komen, klokken voor global positioning (GPS)-systemen verbeteren, de detectie van zwaartekrachtsgolven in de ruimte bevorderen en nuttig zijn voor kwantumcomputers.

Onderzoekers van het Lincoln Laboratory van het Massachusetts Institute of Technology, USA beschrijven hun nieuwe laser in optiek , Het tijdschrift van de Optical Society voor onderzoek met een hoge impact.

Zelfs als een laser is ontworpen om puur in één golflengte uit te zenden, veranderingen in temperatuur en andere omgevingsfactoren introduceren vaak ruis die ervoor zorgt dat de lichtemissie in frequentie verschuift of verbreedt. De verbrede spectrale omvang van deze emissie staat bekend als de laserlijnbreedte. De onderzoekers gebruikten een nieuwe benadering om een ​​optische vezellaser te creëren met een spectrale lijnbreedte die smaller is dan ooit bereikt door een vezel- of halfgeleiderlaser. Dezelfde laser biedt ook een methode om temperatuurveranderingen zo klein als 85 nanoKelvin waar te nemen en te corrigeren, of 85 miljardste van een graad.

"Vandaag, ultra-lage expansie (ULE) holtelasers vertonen de smalste lijnbreedte en hoogste prestaties, maar ze zijn omvangrijk en zeer gevoelig voor omgevingslawaai, " zei William Loh, de eerste auteur van de krant. "Ons doel is om ULE-lasers te vervangen door een laser die draagbaar is en niet gevoelig is voor omgevingsgeluid."

Een smalle lijnbreedte bereiken

De onderzoekers ontwikkelden een laser op basis van een korte lus (~2 meter) optische vezel geconfigureerd als een ringresonator. Fiberlasers zijn compact en robuust en hebben de neiging relatief langzaam te reageren op veranderingen in de omgeving. De onderzoekers combineerden de voordelen van glasvezel met een niet-lineair optisch effect dat bekend staat als Brillouin-verstrooiing om een ​​laser te verkrijgen met een lijnbreedte van slechts 20 hertz. Ter vergelijking, andere fiberlasers kunnen lijnbreedtes tussen 1000 en 10 bereiken, 000 hertz, en kant-en-klare halfgeleiderlasers hebben doorgaans een lijnbreedte van ongeveer 1 miljoen hertz.

Om de laser extreem stabiel te maken in het licht van veranderingen in de omgeving op lange en korte termijn, de onderzoekers ontwikkelden een manier om het lasersignaal tegen zichzelf te verwijzen om temperatuurveranderingen waar te nemen. Hun methode is zeer gevoelig in vergelijking met andere benaderingen voor het meten van temperatuur en maakt de berekening van een nauwkeurig correctiesignaal mogelijk dat kan worden gebruikt om de laser terug te brengen naar de emissiegolflengte van de oorspronkelijke temperatuur.

"Temperatuur levert een belangrijke bijdrage aan laserruis, " zei Loh. "Een laser van hoge kwaliteit moet niet alleen een smalle laserlijnbreedte hebben, maar ook een manier om die emissie op de lange termijn stabiel te houden."

GPS verbeteren

Deze nieuwe lichtbron zou kunnen worden gebruikt om een ​​nieuwe generatie optische atoomklokken te verbeteren die worden gebruikt voor GPS-apparaten. Met GPS kunnen gebruikers hun locatie op aarde bepalen door te trianguleren met de signalen die worden ontvangen van een netwerk van satellieten die geavanceerde atoomklokken bevatten. Elke satelliet geeft een tijdstempel, en het systeem berekent een locatie op basis van de relatieve verschillen tussen die tijden.

"We denken dat atoomklokken gebaseerd op onze stabiele, een laser met een smalle lijnbreedte kan worden gebruikt om de aankomsttijd van het signaal nauwkeuriger te bepalen, het verbeteren van de locatienauwkeurigheid van de huidige GPS-systemen, "zei Loh. "Het feit dat onze laser compact is, betekent dat hij aan boord van satellieten kan worden gebruikt."

De laser kan ook nuttig zijn voor interferometers zoals die worden gebruikt door de Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) om zwaartekrachtsgolven te detecteren die afkomstig zijn van botsende zwarte gaten of instortende sterren. Ultrastabiele lasers zijn nodig voor deze toepassing omdat laserruis verhindert dat de interferometer de zeer kleine verstoringen van een zwaartekrachtgolf kan detecteren.

"Er zijn pogingen gaande om lasers in de ruimte te gebruiken om langere interferometerarmen te maken voor observatie van zwaartekrachtgolven, " zei Loh. "Vanwege zijn compacte formaat en robuustheid, onze laser zou een kandidaat kunnen zijn voor detectie van zwaartekrachtgolven in de ruimte."

De onderzoekers zeggen dat hoewel hun nieuwe laser robuust is, het is momenteel een tafelmodel dat geschikt is voor laboratoriumgebruik. Ze werken nu aan de ontwikkeling van kleinere verpakkingen voor de laser en zullen kleinere optische componenten opnemen om een ​​draagbare versie te maken die zo klein kan zijn als een smartphone.