Forskare har utvecklat en kompakt laser som avger ljus med extrem spektral renhet som inte förändras som svar på miljöförhållanden. Den nya potentiellt bärbara lasern kan gynna en mängd vetenskapliga tillämpningar, förbättra klockor för globala positioneringssystem (GPS), främja detekteringen av gravitationsvågor i rymden och vara användbar för kvantberäkning.

Forskare från Massachusetts Institute of Technologys Lincoln Laboratory, USA beskriver sin nya laser i Optica , The Optical Society's journal for high impact research.

Även om en laser är konstruerad för att sända enbart i en våglängd, förändringar i temperatur och andra miljöfaktorer skapar ofta brus som gör att ljusemissionen förskjuts eller breddas i frekvens. Den breddade spektrala utsträckningen av denna emission är känd som laserlinjebredden. Forskarna använde ett nytt tillvägagångssätt för att skapa en optisk fiberlaser med en spektral linjebredd som är smalare än någonsin uppnådd med en fiber- eller halvledarlaser. Samma laser tillhandahåller också en metod för att känna av och korrigera temperaturförändringar så små som 85 nanoKelvin, eller 85 miljarddelar av en grad.

"I dag, kavitetslasrar med ultralåg expansion (ULE) uppvisar den smalaste linjebredden och högsta prestanda, men de är skrymmande och mycket känsliga för omgivningsljud, sa William Loh, tidningens första författare. "Vårt mål är att ersätta ULE-lasrar med en som kan vara bärbar och inte är känslig för omgivningsljud."

Att uppnå smal linjebredd

Forskarna utvecklade en laser baserad på en kort slinga (~2 meter) av optisk fiber konfigurerad som en ringresonator. Fiberlasrar är kompakta och robusta och tenderar att reagera relativt långsamt på miljöförändringar. Forskarna kombinerade fördelarna med fiber med en olinjär optisk effekt känd som Brillouin-spridning för att uppnå en laser med en linjebredd på bara 20 hertz. För jämförelse, andra fiberlasrar kan uppnå linjebredder mellan 1000 till 10, 000 hertz, och vanliga halvledarlasrar har vanligtvis en linjebredd på cirka 1 miljon hertz.

För att göra lasern extremt stabil inför långsiktiga och kortsiktiga miljöförändringar, forskarna utvecklade ett sätt att referera lasersignalen mot sig själv för att känna av temperaturförändringar. Deras metod är mycket känslig jämfört med andra metoder för att mäta temperatur och möjliggör beräkning av en exakt korrigeringssignal som kan användas för att föra tillbaka lasern till emissionsvåglängden för den ursprungliga temperaturen.

"Temperaturen är en viktig bidragande orsak till laserbrus, ", sa Loh. "En högkvalitativ laser behöver inte bara ha en smal laserlinjebredd utan också ett sätt att hålla den emissionen stabil på lång sikt."

Förbättra GPS

Denna nya ljuskälla skulle kunna användas för att förbättra en ny generation optiska atomklockor som används för GPS-aktiverade enheter. GPS gör det möjligt för användare att lokalisera sin plats på jorden genom att triangulera med signalerna som tas emot från ett nätverk av satelliter som innehåller avancerade atomklockor. Varje satellit tillhandahåller en tidsstämpel, och systemet beräknar en plats baserat på de relativa skillnaderna mellan dessa tider.

"Vi tror att atomklockor baserat på vårt stall, laser med smal linjebredd kan användas för att mer exakt fastställa signalens ankomsttid, förbättra platsnoggrannheten för dagens GPS-system, ", sa Loh. "Det faktum att vår laser är kompakt betyder att den kan användas ombord på satelliter."

Lasern kan också vara fördelaktig för interferometrar som de som används av Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) för att upptäcka gravitationsvågor som kommer från kolliderande svarta hål eller kollapsande stjärnor. Ultrastabila lasrar är nödvändiga för denna applikation eftersom laserbrus hindrar interferometern från att kunna upptäcka de mycket små störningarna av en gravitationsvåg.

"Det pågår ansträngningar för att använda lasrar i rymden för att skapa längre interferometerarmar för observation av gravitationsvågor, ", sa Loh. "På grund av dess kompakta storlek och robusthet, vår laser kan vara en kandidat för gravitationsvågdetektering i rymden."

Forskarna säger att även om deras nya laser är robust, det är för närvarande ett bänksystem lämpligt för laboratorieanvändning. De arbetar nu med att utveckla mindre förpackningar för lasern och kommer att inkorporera mindre optiska komponenter för att skapa en bärbar version som kan vara lika liten som en smartphone.