Stanford Merekayasa Tremendous Laser Titanium-Safir Berukuran Saku

Laser baru ini bersandar pada balok titanium-safir. Sebagai perbandingan, keduanya terletak di atas seperempat. Kredit: Yang et al., Alam

Dalam satu lompatan dari skala meja ke skala mikro, para insinyur di Universitas Stanford telah menghasilkan laser titanium-safir praktis pertama di dunia pada sebuah chip.

Para peneliti telah mengembangkan laser Titanium-safir berskala chip yang jauh lebih kecil dan lebih murah daripada mannequin tradisional, sehingga dapat diakses untuk aplikasi yang lebih luas dalam optik kuantum, ilmu saraf, dan bidang lainnya. Teknologi baru ini diharapkan memungkinkan laboratorium untuk memiliki ratusan laser yang kuat ini pada satu chip, yang didukung oleh penunjuk laser hijau sederhana.

Laser yang terbuat dari Titanium-safir (Ti:safir) dianggap memiliki kinerja yang “tak tertandingi”. Laser ini sangat diperlukan dalam banyak bidang, termasuk optik kuantum mutakhir, spektroskopi, dan ilmu saraf. Namun, kinerja tersebut harus dibayar dengan harga yang mahal. Laser Ti:safir berukuran besar, volumenya sekitar beberapa kaki kubik. Harganya mahal, masing-masing mencapai ratusan ribu dolar. Laser ini juga membutuhkan laser berdaya tinggi lainnya, yang masing-masing harganya mencapai $30.000, untuk memasok energi yang cukup agar dapat berfungsi.

Terobosan dalam Teknologi Laser

Hasilnya, laser Ti:sapphire belum pernah mencapai adopsi yang luas dan nyata sebagaimana yang seharusnya – hingga saat ini. Dalam lompatan dramatis dalam skala, efisiensi, dan biaya, para peneliti di Universitas Stanford telah membangun laser Ti:sapphire pada sebuah chip. Prototipe tersebut berukuran empat kali lebih kecil (10.000x) dan tiga kali lebih murah (1.000x) daripada laser Ti:sapphire mana pun yang pernah diproduksi.

Miniaturisasi Revolusioner dan Pengurangan Biaya

“Ini adalah perubahan whole dari mannequin lama,” kata Jelena Vučković, Profesor Jensen Huang dalam Kepemimpinan World, seorang profesor teknik elektro, dan penulis senior makalah yang memperkenalkan laser Ti:sapphire skala chip yang diterbitkan dalam jurnal Alam“Daripada hanya menggunakan satu laser besar dan mahal, laboratorium mana pun mungkin akan segera memiliki ratusan laser berharga ini dalam satu chip. Dan Anda dapat mengisi dayanya dengan penunjuk laser hijau.”

“Saat Anda melompat dari ukuran meja dan membuat sesuatu yang dapat diproduksi pada sebuah chip dengan biaya yang sangat rendah, laser yang kuat ini dapat dijangkau untuk banyak aplikasi penting yang berbeda,” kata Joshua Yang, seorang kandidat doktor di lab Vučković dan salah satu penulis pertama studi tersebut bersama dengan rekan-rekan Vučković di Lab Fotonik Kuantum dan Nanoskala, insinyur penelitian Kasper Van Gasse dan sarjana pascadoktoral Daniil M. Lukin.

Keunggulan Teknis dan Potensi Produksi Massal

Secara teknis, laser Ti:sapphire sangat berharga karena memiliki “pita lebar penguatan” terbesar dari semua kristal laser, jelas Yang. Secara sederhana, pita lebar penguatan berarti rentang warna yang lebih luas yang dapat dihasilkan laser dibandingkan dengan laser lainnya. Laser ini juga sangat cepat, kata Yang. Pulsa cahaya dipancarkan setiap sepersejuta detik.

Namun, laser Ti:sapphire juga sulit didapat. Bahkan laboratorium Vučković, yang melakukan eksperimen optik kuantum mutakhir, hanya memiliki beberapa laser berharga ini untuk dibagikan. Laser Ti:sapphire baru ini muat pada chip yang ukurannya dalam milimeter persegi. Jika para peneliti dapat memproduksinya secara massal pada wafer, ribuan, bahkan puluhan ribu laser Ti:sapphire dapat dimasukkan ke dalam cakram yang muat di telapak tangan manusia.

“Chip itu ringan. Mudah dibawa. Murah dan efisien. Tidak ada bagian yang bergerak. Dan dapat diproduksi secara massal,” kata Yang. “Apa yang tidak disukai? Ini mendemokratisasi laser Ti:sapphire.”

Inovasi dalam Manufaktur

Untuk membuat laser baru, para peneliti memulai dengan lapisan besar Titanium-safir pada platform silikon dioksida (SiO₂), semuanya berada di atas kristal safir asli. Mereka kemudian menggiling, mengukir, dan memoles Ti:safir menjadi lapisan yang sangat tipis, hanya setebal beberapa ratus nanometer. Ke dalam lapisan tipis itu, mereka kemudian membuat pola pusaran yang berputar-putar dari tonjolan-tonjolan kecil. Tonjolan-tonjolan ini seperti kabel serat optik, yang mengarahkan cahaya ke sekeliling dan ke sekeliling, sehingga intensitasnya meningkat. Faktanya, pola tersebut dikenal sebagai pemandu gelombang.

“Secara matematis, intensitas adalah daya dibagi dengan luas. Jadi, jika Anda mempertahankan daya yang sama dengan laser skala besar, tetapi mengurangi space di mana laser tersebut terkonsentrasi, intensitasnya akan meningkat drastis,” kata Yang. “Skala kecil laser kami sebenarnya membantu kami membuatnya lebih efisien.”

Bagian teka-teki yang tersisa adalah pemanas skala mikro yang menghangatkan cahaya yang bergerak melalui pemandu gelombang, yang memungkinkan tim Vučković mengubah panjang gelombang cahaya yang dipancarkan untuk menyetel warna cahaya di mana saja antara 700 dan 1.000 nanometer – dari merah hingga inframerah.

Aplikasi dan Prospek Masa Depan

Vučković, Yang, dan rekan-rekannya sangat antusias dengan berbagai bidang yang dapat dipengaruhi oleh laser tersebut. Dalam fisika kuantum, laser baru ini menyediakan solusi yang murah dan praktis yang dapat secara drastis mengurangi skala komputer kuantum terkini. Dalam ilmu saraf, para peneliti dapat meramalkan penerapan langsung dalam optogenetika, bidang yang memungkinkan para ilmuwan untuk mengendalikan neuron dengan cahaya yang diarahkan ke dalam otak oleh serat optik yang relatif besar. Laser skala kecil, kata mereka, dapat diintegrasikan ke dalam probe yang lebih kompak yang membuka jalan eksperimen baru. Dalam oftalmologi, laser ini dapat digunakan kembali dengan amplifikasi pulsa chirped pemenang Hadiah Nobel dalam operasi laser atau menawarkan teknologi tomografi koherensi optik yang lebih murah dan lebih kompak yang digunakan untuk menilai kesehatan retina.

Selanjutnya, tim tersebut tengah berupaya menyempurnakan laser Ti:sapphire berskala chip dan menemukan cara untuk memproduksinya secara massal, ribuan sekaligus, pada wafer. Yang akan meraih gelar doktornya musim panas ini berdasarkan penelitian ini dan tengah berupaya untuk memasarkan teknologi tersebut.

“Kita bisa memasang ribuan laser pada satu wafer berukuran 4 inci,” kata Yang. “Saat itulah biaya per laser mulai menjadi hampir nol. Itu sangat menarik.”

Referensi: “Laser dan amplifier terintegrasi Titanium:sapphire-on-insulator” oleh Joshua Yang, Kasper Van Gasse, Daniil M. Lukin, Melissa A. Guidry, Geun Ho Ahn, Alexander D. White dan Jelena Vučković, 26 Juni 2024, Alam.
Nomor Induk Kependudukan: 10.1038/s41586-024-07457-2

Penulis yang berkontribusi termasuk sarjana pascadoktoral Melissa A. Guidry dan kandidat doktoral Geun Ho Ahn dan Alexander D. White. Vučković juga merupakan anggota Stanford Bio-X, Stanford PULSE Institute, dan Wu Tsai Neurosciences Institute.

Pendanaan untuk penelitian ini berasal dari Institute of Engineering and Know-how AF Harvey Prize, Vannevar Bush College Fellowship dari Departemen Pertahanan AS, Protection Superior Analysis Initiatives Company (DARPA)DARPA), dan Kantor Riset Ilmiah Angkatan Udara (AFOSR). Sebagian dari pekerjaan ini dilakukan di Stanford Nano Shared Services (SNSF)/Stanford Nanofabrikasi Facility (SNF), yang didukung oleh Nationwide Science Basis.