Laser baru ini bertumpu pada sinar titanium-safir. Sebagai perbandingan, keduanya bertumpu pada seperempat. Kredit: Yang et al., Alami
Dalam lompatan dari skala meja kerja 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 model 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 ditenagai oleh penunjuk laser hijau sederhana.
Laser titanium-safir (Ti:safir) disebut-sebut memiliki kinerja yang “tak tertandingi”. Laser ini penting dalam banyak bidang, termasuk optik kuantum tingkat lanjut, spektroskopi, dan ilmu saraf. Namun, kinerja ini harus dibayar dengan harga yang mahal. Laser Ti:safir berukuran besar, berukuran beberapa kaki kubik volumenya. Harganya mahal, masing-masing mencapai ratusan ribu dolar. Laser ini juga memerlukan 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 seperti 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 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 total dari model lama,” kata Jelena Vučković, Profesor Jensen Huang dalam Kepemimpinan Global, seorang profesor teknik elektro, dan penulis senior sebuah makalah yang memperkenalkan laser Ti:sapphire skala chip yang diterbitkan dalam jurnal Alami“Daripada hanya menggunakan satu laser besar yang mahal, laboratorium mana pun dapat segera memiliki ratusan laser berharga ini dalam satu chip. Dan Anda dapat mengisinya dengan penunjuk laser hijau.”
“Saat Anda beralih dari ukuran meja kerja dan membuat sesuatu yang dapat diproduksi pada sebuah chip dengan biaya yang sangat rendah, laser yang kuat ini menjadi dapat diakses untuk banyak aplikasi penting yang berbeda,” kata Joshua Yang, seorang kandidat doktor di laboratorium Vučković dan salah satu penulis pertama studi tersebut bersama dengan rekan-rekan Vučković di Laboratorium Fotonik Kuantum dan Skala Nano, 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. Sederhananya, 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 dapat dipasang pada chip berukuran milimeter persegi. Jika para peneliti dapat memproduksinya secara massal pada wafer, ribuan, bahkan puluhan ribu laser Ti:sapphire dapat dipasang pada cakram yang muat di telapak tangan manusia.
“Chip ini ringan. Mudah dibawa. Murah dan efisien. Tidak ada komponen yang bergerak. Dan dapat diproduksi secara massal,” kata Yang. “Apa yang tidak disukai? Chip ini mendemokratisasi laser Ti:sapphire.”
Inovasi dalam Manufaktur
Untuk membuat laser baru, para peneliti memulai dengan lapisan besar titanium-safir pada platform silikon dioksida (SiO).2), semuanya di atas kristal safir alami. 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 membangun pola pusaran yang berputar-putar dari benjolan-benjolan kecil. Benjolan-benjolan ini seperti kabel serat optik, mengarahkan cahaya ke sekeliling dan ke sekeliling, meningkatkan intensitasnya. Faktanya, pola tersebut dikenal sebagai pemandu gelombang.
“Secara matematis, intensitas adalah daya dibagi dengan luas. Jadi, jika Anda mempertahankan daya yang sama seperti laser skala besar, tetapi mengurangi area tempat laser 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 saat 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 ke inframerah.
Aplikasi dan Prospek Masa Depan
Vučković, Yang, dan rekan-rekan mereka sangat antusias dengan jangkauan area yang dapat dipengaruhi oleh laser. Dalam fisika kuantum, laser baru ini menyediakan solusi praktis dan murah yang dapat secara drastis mengurangi skala komputer kuantum saat ini. Dalam ilmu saraf, para peneliti memperkirakan aplikasi langsung dalam optogenetika, bidang yang memungkinkan para ilmuwan untuk mengendalikan neuron dengan cahaya yang diarahkan ke otak oleh serat optik yang relatif besar. Laser skala kecil, kata mereka, dapat diintegrasikan ke dalam probe yang lebih kompak, membuka jalan eksperimental baru. Dalam oftalmologi, laser dapat digunakan kembali untuk amplifikasi pulsa chirped pemenang Hadiah Nobel dalam operasi laser atau menawarkan versi yang lebih murah dan lebih kompak dari teknologi tomografi koherensi optik yang digunakan untuk menilai kesehatan retina.
Selanjutnya, tim tersebut 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 berupaya mengomersialkan teknologi tersebut.
“Kami dapat menempatkan 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:safir-pada-isolator” oleh Joshua Yang, Kasper Van Gasse, Daniil M. Lukin, Melissa A. Guidry, Geun Ho Ahn, Alexander D. White dan Jelena Vučković, 26 Juni 2024, Alami.
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 Technology AF Harvey Prize, Vannevar Bush Faculty Fellowship dari Departemen Pertahanan AS, Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA)DARPA), dan Kantor Riset Ilmiah Angkatan Udara (AFOSR). Sebagian dari pekerjaan ini dilakukan di Stanford Nano Shared Facilities (SNSF)/Stanford Nanofabrikasi Facility (SNF), yang didukung oleh National Science Foundation.
NewsRoom.id
