স্ট্যানফোর্ড ইউনিভার্সিটির বৈদ্যুতিক প্রকৌশলের অধ্যাপক জেলেনা ভুকোভিচের নেতৃত্বে গবেষকদের একটি দল, একটি চিপে একটি টাইটানিয়াম রত্ন পাথর (টি: স্যাফায়ার) লেজারের একীকরণের পথপ্রদর্শক করেছে (যা একটি সবুজ লেজার পয়েন্টার দিয়ে পাম্প করা যেতে পারে)৷ বর্তমানে উপলব্ধ অন্য যেকোন টাইটানিয়াম রত্নপাথর লেজারের তুলনায়, এই প্রোটোটাইপটি চারটি অর্ডার ছোট আকারের (অর্থাৎ, মূলের এক দশ হাজার ভাগ) এবং খরচে কম মাত্রার তিনটি অর্ডার (অর্থাৎ, আসলটির এক হাজার ভাগ)।
টাইটানিয়াম রত্ন পাথর লেজারগুলি, তাদের উচ্চ লাভ ব্যান্ডউইথ এবং অতি দ্রুত পালস আউটপুটের কারণে, অত্যাধুনিক কোয়ান্টাম অপটিক্স, স্পেকট্রোস্কোপি এবং নিউরোসায়েন্সের মতো ক্ষেত্রে অপরিহার্য। যাইহোক, তাদের বড় আকার এবং উচ্চ মূল্য (প্রত্যেক হাজার হাজার ডলার), সেইসাথে উচ্চ ক্ষমতাসম্পন্ন ডিভাইসগুলির প্রয়োজন (প্রতিটি প্রায় $30,000) পাম্প করার জন্য, তাদের ব্যাপক ব্যবহার সীমিত করেছে৷
"ন্যানো এবং কোয়ান্টাম ফটোনিক্সের জন্য স্ট্যানফোর্ডের ল্যাবরেটরিতে, আমরা ডায়মন্ড এবং সিলিকন কার্বাইডের মতো উপাদানগুলিতে সলিড-স্টেট স্পিন কোয়ান্টাম বিটের উপর ভিত্তি করে বেশ কয়েকটি কোয়ান্টাম পরীক্ষা চালিয়েছি। এই পরীক্ষাটি বাণিজ্যিক টাইটানিয়াম রত্ন পাথর লেজারের উপর নির্ভর করে।" ভুকোভিচের দলের একজন পিএইচডি ছাত্র জোশুয়া ইয়াং ব্যাখ্যা করেছেন।
ব্যয়বহুল হওয়ার পাশাপাশি, টাইটানিয়াম রত্নপাথরের লেজারগুলি জটিল এবং প্রায়শই নিয়মিত রক্ষণাবেক্ষণের প্রয়োজন হয় যাতে সেগুলি ভালভাবে চলতে থাকে। Vučković-এর গবেষণা দল প্রচুর পরিমাণে পরীক্ষা পরিচালনা করে যার জন্য টাইটানিয়াম রত্ন পাথর লেজারের পর্যাপ্ত মেশিন সময় নেই, এবং তাই তাদের সরঞ্জাম ভাগ করে নিতে হবে এবং পরীক্ষামূলক সময়সূচী পরিচালনা করতে হবে। উপরন্তু, যেহেতু পরীক্ষা-নিরীক্ষার জন্য প্রয়োজনীয় শক্তি বাণিজ্যিক টাইটানিয়াম রত্ন পাথর লেজারের আউটপুট শক্তির তুলনায় অনেক কম, লেজারের আউটপুট শুধুমাত্র কয়েকটি মাত্রার মাত্রার দ্বারা হ্রাস করা যেতে পারে, যার ফলে লেজার শক্তির একটি বড় অংশ নষ্ট হয়ে যায়।
ইয়াং বলেন, "চিপ-স্কেল টাইটানিয়াম স্যাফায়ার লেজারগুলি, তাদের কম খরচে, কম্প্যাক্টনেস এবং স্থায়িত্বের কারণে, বর্তমানে আমাদের নির্ভুলতা পরীক্ষার জন্য নিযুক্ত বাণিজ্যিক টাইটানিয়াম রত্নপাথর লেজার সিস্টেমগুলিকে প্রতিস্থাপন করতে পারে।"
চিত্র 1: চিপ-স্কেল টাইটানিয়াম রত্নপাথর লেজার প্রফেসর জেলেনা ভুকোভিচের গবেষণা দল দ্বারা তৈরি। লেজারটি একটি টাইটানিয়াম রত্ন পাথরের বিপরীতে তির্যকভাবে বিশ্রাম নেয়, উভয়ই এক চতুর্থাংশের উপর বিশ্রাম নেয়।
চতুর লেজার নকশা
দল দ্বারা উন্নত চিপ-স্কেল লেজার দুটি প্রধান অংশ নিয়ে গঠিত: একটি ওয়েভগাইড এবং একটি রিং রেজোনেটর।
টাইটানিয়াম রত্ন পাথরের একটি স্তর একটি সিলিকন ডাই অক্সাইড (SiO2) সাবস্ট্রেটে স্থাপন করা হয়, যা পরে একটি নীলকান্তমণি স্ফটিকের উপর স্থাপন করা হয়। টাইটানিয়াম রত্ন পাথরের স্তরটি স্থল, খোদাই করা এবং মাত্র কয়েকশ ন্যানোমিটার পুরুত্বে পালিশ করা হয়েছে। তারপরে এটিকে একটি ওয়েভগাইড দিয়ে প্যাটার্ন করা হয়েছিল, যা ক্ষুদ্র শিলাগুলির ঘূর্ণি হিসাবে কাজ করে যা আলোকে এটির মধ্য দিয়ে ভ্রমণ করার সময় গাইড করে।
ওয়েভগাইডকে গরম করার জন্য একটি ক্ষুদ্র হিটার ব্যবহার করা হয়, যা ওয়েভগাইডের প্রতিসরণকারী সূচক এবং ওয়েভগাইডের মধ্য দিয়ে আলো যে গতিতে ভ্রমণ করে তা পরিবর্তন করে, যাতে আউটপুট তরঙ্গদৈর্ঘ্য লাল থেকে ইনফ্রারেড (বর্তমানে সামঞ্জস্যযোগ্য) তরঙ্গদৈর্ঘ্যের একটি পরিসরে সামঞ্জস্য করা যায়। থেকে 60 এনএম)।
"সর্পিল-আকৃতির ওয়েভগাইড লেজারের জন্য একটি পরিবর্ধকের সমতুল্য, এবং লেজারের মধ্য দিয়ে যাওয়ার সাথে সাথে শক্তি বৃদ্ধি পায়।" ইয়াং ব্যাখ্যা করেন, "রিং রেজোনেটর মাইক্রোহিটারের মাধ্যমে লেজারের তরঙ্গদৈর্ঘ্যকে সংশোধন করার জন্য একটি ফিল্টার হিসাবে কাজ করে এবং লেজারের জন্য একটি অনুরণিত গহ্বর হিসাবে - লেজার সংক্রমণের জন্য একটি পুনঃসঞ্চালন পথ হিসাবে কাজ করে।"
চিত্র 2: একটি টাইটানিয়াম রত্ন পাথর ওয়েভগাইড পরিবর্ধক পরিমাপের অপটিক্যাল চিত্র 0.5 মিমি x 0.5 মিমি।
চিপ-স্কেল টাইটানিয়াম রত্ন পাথর লেজারের জন্য চ্যালেঞ্জ
টাইটানিয়াম রত্ন পাথর লেজারগুলির সাথে সবচেয়ে বড় অসুবিধা হল যে তাদের পরিচালনা করার জন্য উচ্চ-তীব্রতা পাম্পিং প্রয়োজন। একটি উচ্চ-নির্ভুল তরঙ্গগাইডের মাধ্যমে টাইটানিয়াম রত্ন পাথর লেজার প্রযুক্তি উপলব্ধি করে, গবেষণা দল দুটি গুরুত্বপূর্ণ সাফল্য অর্জন করেছে:
প্রথমত, যেহেতু পাম্পিং এর তীব্রতা ক্ষেত্র দ্বারা বিভক্ত শক্তি, তাই টাইটানিয়াম রত্নপাথর অপটিক্যাল ওয়েভগাইড ব্যবহার করলে পাম্পিং এরিয়া উল্লেখযোগ্যভাবে কমে যায়। "এর মানে হল যে বাণিজ্যিক টাইটানিয়াম রত্নপাথর সিস্টেমের মতো পাম্পিং তীব্রতা অর্জনের জন্য শুধুমাত্র কম শক্তি (প্রায় 1000 গুণ কম) প্রয়োজন।" ইয়াং ব্যাখ্যা করেন, "সুতরাং একটি সস্তা সবুজ আলো সেমিকন্ডাক্টর লেজার এই চিপ-স্কেল লেজার পাম্প করার জন্য যথেষ্ট শক্তিশালী।"
দ্বিতীয়ত, টাইটানিয়াম রত্নপাথর লেজার চিপের সাথে একত্রিত করা হয়েছে। "চিপ-স্কেল নীলকান্তমণি লেজার (আরো চলমান অংশ ছাড়া) বড় আকারের ওয়েফার-স্তরের সেমিকন্ডাক্টর উত্পাদনের জন্য বাণিজ্যিক লেজারগুলির দ্বারা ক্ষুদ্রকরণ, মাপযোগ্যতা এবং স্থায়িত্ব অতুলনীয়।" ইয়াং যোগ করেছেন।
ইয়াং-এর জন্য, এই কাজের হাইলাইট হল কোয়ান্টাম পরীক্ষার জন্য এই চিপ-স্কেল টাইটানিয়াম রত্ন পাথর লেজারের ব্যবহার। তিনি বলেন, "একটি জটিল গহ্বর কোয়ান্টাম ইলেক্ট্রোডাইনামিকস (কিউইডি) পরীক্ষায় এই ক্ষুদ্র যন্ত্রটিকে একটি বিশাল বাণিজ্যিক লেজার সিস্টেম প্রতিস্থাপন করা দেখে একটি দুর্দান্ত বিস্ময় ছিল। কারণ আমরা যে চিপ-স্কেল লেজারগুলি তৈরি করেছি তা সত্যিই ব্যতিক্রমী।"
চিপ-স্কেল টাইটানিয়াম রত্নপাথর লেজারকে কোয়ান্টাম পরীক্ষা-নিরীক্ষার জন্য সত্যিকার অর্থে ব্যবহারযোগ্য করার জন্য Vučković-এর গবেষণা দলকে যে চ্যালেঞ্জগুলি অতিক্রম করতে হয়েছিল তার মধ্যে একটি হল পাম্প উত্সের সংযোগকে অপ্টিমাইজ করা। "পরীক্ষার জন্য, লেজারটি একটি মুক্ত-স্থানের আলোর পথের মাধ্যমে পাম্প করা হয়," ইয়াং বলেছেন, "কিন্তু ফোটোনিক প্যাকেজিং প্রযুক্তির সাহায্যে, একটি সবুজ আলো অর্ধপরিবাহী লেজারকে একীভূত করা সম্ভব যা চিপ-স্কেল টাইটানিয়াম রত্ন পাথরের পাম্পের উত্স হিসাবে কাজ করে। লেজার প্যাকেজিং সিস্টেম এবং পাম্প উত্সের সংযোগ অপ্টিমাইজ করে, উচ্চ শক্তি লেজার আউটপুট অর্জন করা যেতে পারে, এবং লেজার উভয়ই। বহনযোগ্য এবং টেকসই।"
সম্ভাব্য অ্যাপ্লিকেশন
চিপ-স্কেল টাইটানিয়াম রত্নপাথর লেজারগুলিতে কোয়ান্টাম কম্পিউটিং এবং পারমাণবিক ঘড়ির মতো কোয়ান্টাম প্রযুক্তি থেকে শুরু করে অপটিক্যাল কোহেরেন্স টমোগ্রাফি এবং টু-ফোটন মাইক্রোস্কোপির মতো মেডিকেল অ্যাপ্লিকেশন পর্যন্ত বিস্তৃত অ্যাপ্লিকেশন রয়েছে।
"আশা করি এই প্রযুক্তিটি পরিপক্ক হবে এবং আগামী কয়েক বছরের মধ্যে এই ক্ষেত্রে ব্যবহার করা হবে," ইয়াং বলেছেন। এই গ্রীষ্মে স্নাতক হওয়ার পর, তিনি ব্রাইটলাইট ফটোনিক্সের জন্য কাজ করবেন, একটি কোম্পানি যা চিপ-স্কেল টাইটানিয়াম রত্ন পাথর লেজারের বাণিজ্যিকীকরণের সুবিধার্থে কাজ করবে।
বর্তমানে, Jelena Vučković এবং তার গবেষণা দল একটি টিউনেবল মোড-লকড চিপ-স্কেল টাইটানিয়াম লেজারে কাজ করছে।
স্পন্দিত লেজারগুলি "কোয়ান্টাম প্রযুক্তি, শাস্ত্রীয় তথ্য প্রক্রিয়াকরণ এবং বায়োমেডিসিনে লেজার অ্যাপ্লিকেশনের জন্য নতুন সুযোগ উন্মুক্ত করবে," অধ্যাপক ভুকোভিচ বলেছেন।
