מלקולם מינטי, Newport Corp
דיודות לייזר בעלות מהוד חיצוני (ECDL) יכולות לתת מענה לדרישות המחקר למקור קומפקטי, מתכוונן ובעל רוחב פס צר, ותופסות מקום נכבד במערכות למחקר מדעי.
רוב החוקרים והמהנדסים לא ימצאו כל קשר בין מושגים כמו קומפקטי, חופשי מתחזוקה והספק יעיל, ללייזרים הטיפוסיים שניתן למצוא במעבדה המדעית. דיודת לייזר מסחרית מציעה יתרונות אלה, רק אם עושים בה שינוי. בדרך כלל דיודות לייזר אינן נותנות מענה למפרטים התובעניים הנדרשים לשימוש מדעי. דיודות לייזר בעלות מהוד חיצוני – External Cavity Diode Lasers , הינן מערכות המביאות את הביצועים של דיודת הלייזר לרמה היכולה לעמוד בדרישות המפרט של החוקר.
הן מאפשרות לחוקרים להקדיש זמן רב יותר למחקר עצמו ופחות לשמירה על פעולת הלייזר לפי המפרטים הנדרשים. בנוסף למגמה הכללית לשימוש במערכות מוכנות מראש (turnkey systems) כלייזרים חלופיים, יישומים נוספים כמו מִחשוּב קוונטי (quantum computing), ספקטרוסקופיה אטומית (atomic spectroscopy), אינטרפרומטריה הסחת מופע (phase-shift interferometry), מתאפשרים הודות למערכות דיודות לייזר ברמה המדעית, ומגלמות בתוכן את ההשקעות שנעשו בשוק התקשורת למרחקים ארוכים (telecom) ותעשיות אחרות.
דיודות לייזר ECDL, מבוססות על דיודות לייזר סטנדרטיות שניתן להשיג במגוון רחב של אורכי-גל. לרכיבים סטנדרטיים אלו, הנמצאים בשימוש נרחב ביישומיים כמו תקשורת ובמוצרי צריכה אלקטרוניים, יש בדרך כלל מהוד קצר והם רגישים מאוד לטמפרטורה. התפוקה הספקטראלית שלהם היא בדרך כלל ברוחב פס של כמה ננו מטריים בודדים, שהוא רחב מדי לרוב היישומים המדעיים.
כדי לבדוק, למדוד וליצור אינטראקציה עם מדגמים באפליקציה כמו Raman, בספקטרוסקופיה או בקירור אטומי
(see “Lasers enable breakthroughs in atomic physics pg.67”)
נדרש מקור אור יציב, בעל רוחב פס צר, על מנת לענות על צרכים אלו יש לבצע תיקון בדיודת הלייזר.
בקרה מכאנית מדויקת
מהוד חיצוני מאפשר בחירה של אורך גל ספציפי בעל רוחב פס צר, מתוך מבחר גדול של דיודות. אורך הגל ניתן לכיוונון מדויק, או לסריקה על ידי כוונון מכאני של המהוד. דיודות ECDL אינן דבר חדש, ומספר רב של חברות פיתחו מוצרים מסחריים מעין אלו בשנות ה-90. העניין בהם הגיע לשיאו בימי שיכרון בועת התקשורת. מעבר לכמה אפליקציות בדיקה ומדידה, בהם נדרש כוונון רחב, רוב הלייזרים המתכווננים לתקשורת מבוססים כיום על טכנולוגיית הפצת משוב (Distributed Feedback Technology – DFB), בה הדיודה מכוונת באופן שוטף על פני טווח צר. מכול מקום, דיודות לייזר בטכנולוגיית DFB, ניתן להשיג במספר מוגבל של אורכי גל, הן לא ניתנות לכיוונון בתחום אורכי גל רחב ובדרך כלל בעלות רוחב פס בתחום ה-MHz.
מאז שנות בועת התקשורת, חלה התפתחות מתמדת בפיתוח דיודות ECDL. ספקטרוסקופיה אטומית מצריכה רוחב פס צר כדי לאפשר כוונון על פני מעברים מדויקים. שמירת המהוד החיצוני יציב, ויחד עם זאת שמירה על היכולת להזיז סריג (grating) או מראה באופן מדויק שוב ושוב, בדיוק סאב-מיקרוני, מהווה את האתגר העיקרי. יש גם לטפל בנושא הויבראציות, ההפרעות האקוסטיות, או הסחיפה התרמית, היות ואלו יכולים לגרום להרחבת רוחב פס הלייזר, כמו גם למצבי mode hops, או לתזוזות באורך הגל . טכניקות כמו מכניקה מדויקת משוככת פסיבית ומשוב אלקטרוני במעגל סגור, או שילוב בין השניים, הפך את הדיודות ה-ECDL, לאמינות ביותר לשימוש באפליקציות תובעניות.
הטווח הספקטראלי הזמין בדיודות לייזר, מתרחב בהתמדה בעוצמות ההולכות וגדלות, במיוחד בתחום גלי ה-NIR. מספר הולך וגדל של יצרנים מציעים היום דיודות לייזר בכחול ואפילו באדום.
ניתן להשיג תזוזה מדויקת של הסריג או המראה, על ידי השימוש במגוון של אקטואטורים. מנועיי piezo, מנועי צעד (stepper motor) ומנועי סליל (voice-coil motor) – כולם נמצאים בשימוש על ידי New Focus, בהתאם לאפליקציה הנדרשת. סריקה מהירה יותר מצריכה זרוע כוונון גמישה, קטנת משקל והמסוגלת לנוע במהירות. יחד עם זאת, הדבר עלול לגרום להיווצרות יציבות מכאנית מצומצמת יותר, ועלולה להוביל להיווצרות רוחב פס רחב. למערכות בהרכבה בבנייה ביתית, מיקרומטר פשוט, יתאים לכוונון איטי לאורך הגל המדויק הנדרש; בקיצון השני, לאפליקציות טומוגרפיה בבהירות אופטית מהירה (OCT), משתמשים במערכות מיקרו-אלקטרו-מכאניות הפועלות במספר רב של קילוהרצים, היכן שנדרש אורך בהירות מוגבל בלבד. אי לכך, שימוש ברוחב פס רחב יותר מקובל.
New Focus הוסיפה שיכוך מגנטי לזרוע הכוונון של הלייזרים מדגם Vortex II, זאת למען צמצום התהודה המכאנית. חברות אחרות פיתחו מחזיקים יציבים במיוחד, שהם בעלי חשיבות מיוחדת כאשר מדובר במערך של כמה מהודים בסדרה המיועדים למערכות מורכבות.
ציוני דרך שהדגימו את הטכנולוגיה מחוץ לתחום התקשורת והוכיחו שניתן “להקשיח” את הלייזרים הללו, כוללים הסמכת חלל של New Focus, בפיתוח לייזר באורך גל של 780 ננומטר, לצרכים של ספקטרוסקופיה אטומית בתחנת החלל הבינלאומית (International Space Station).
מבחר מבנה ועיצוב מהודים
קיימות שתי בחירות מקובלות של ECDL, ושתיהן דורשות רמת דיוק גבוהה. הפשוטה מביניהן, הוא מהוד ה- Litrow; כאן נעשה שימוש בסריג להכוונת האור חזרה אל תוך המהוד החיצוני. הקונפיגורציה היא ישירה מהבחינה המכאנית, ועושה שימוש בהשתקפות מסדר ראשון, ובכך משיגים רמת עוצמה יעילה וגבוהה. מהודי לייזר פשוטים מדגם Litttrow, מורכבים בדרך כלל במעבדה ביתית, אך הם סובלים מטווח כוונון מוגבל ללא Mode Hops, היות ואורך המהוד משתנה בשעת כיוונון הסריג. כיוון הקרן זז יחד עם השינוי בזווית הסריג. מערכות מסחריות מתגברות על חלק מקשיים אלו, על ידי התאמת זרם דיודת הלייזר, לצורך מִקסום טווח הכוונון ועל ידי פיצוי מכאני של כיוון הקרן.
עיצוב המהוד החלופי, הוא מהוד מדגם – Littman Metcalf, המקבע את הסריג במקום ומכוונן את המראה כדי שתתאים לאורך הגל. החיסרון העיקרי הוא איבוד עוצמה עקב שימוש בהשתקפות מסדר שני ודיודת הלייזר דורשת ציפוי AR coating מדויק יותר. היתרונות העיקריים של תכנון זה, והסיבה ש- New Focus עושה שימוש בעיצוב זה מזה 15 שנים, הוא השגת טווח רחב יותר של כוונון ללא Mode hops והיעדר תופעת נדידת הקרן או מה שמכונה Beam Walk.
ללא קשר למבחר עיצוב מהודיי הלייזר, בחירת הדיודה המתאימה, היא קריטית. דיודות לייזר מסחריות מיוצרות במיליונים על ידי יצרני מוליכים למחצה, שברובם נמצאים ביפן ובחלקים אחרים של אסיה. לרוע המזל, לבקש מחברות אלקטרוניקה לייצר קומץ רכיבים ברוחב גל מיוחד, שניתן לעשות בהם שימוש ב- ECDL לצורך אפליקציה מדעית ספציפית, בדרך כלל אינו מעלה פרי ואינו יוצר עניין בקרב היצרנים. קומץ חברות קטנות יותר, עשויות להיות מוכנות ליצור מסלול ייצור לדיודות לפי מפרט ספציפי, אך הפתרון האחר יהיה לקחת את הדיודות הסטנדרטיות ולהוסיף עליהן ציפוי נגד השתקפות (AR), כדי להתאימן לתפוקה הנדרשת.
לייזרים מתכוננים בעלי רוחב-פס צר, איפשרו שימושים ביישומים בפיסיקה גרעינית, על ידי השימוש בקירור לייזר ומלכודות מגנטיות-אופטיות. כאן אטומים מוקפאים ברמת קירור גבוהה ביותר, עוברים שינוי פאזה מנוזל-על (שמאל), למֶבַדֶד (insulator) (ימין). (באדיבות: Cheng Chin, Cold Atoms Group) - אוניברסיטת שיקגו)
הגברת ההספק, שמירת רוחב הפס
עם התקדמות טכנולוגיית הדיודה, תפוקת ההספק הקיימת, הזמינה, עלתה מכמה מילי-וואט למאות מילי-וואט. הדרישה להספק גבוה יותר באה בעיקר מקהילת המחקר בתחום האטומים הקרים (cold atoms), הזקוקה להספק גבוה יותר כדי ליצור אינטראקציה עם כמויות אטומים גדולה יותר לצורך חקר מעברים.
הגדלת העצמה, מביאה עימה אתגר נוסף – הצורך באספקת זרם ברעש נמוך. זרם הנושא עימו אדווה, גורם לשינויים קטנים לדיודה עצמה, מה שעשוי להגדיל את רוחב הפס של הלייזר. שמירת רוחב פס מתחת ל-1MHz, הופך כאן לאתגר, כך שכדי להשיג הספק גבוה ורוחב פס צר, נעשה שימוש במערכת מתנד ראשי דו-שלבי (two-stage system master oscillator) להגברת ההספק. מתנד ראשי ברוחב פס צר במתח נמוך המותקן במהוד החיצוני, מזין מגבר של רכיב הדיודה. השלב השני לא יוצר את הלזירה אך הוא בעל תבנית המגבירה (tapered) את ההספק, מבלי שיתרחשו שינויים משמעותיים ברוחב הפס.
למרות שמגברים אלו, זמינים רק בטווח אורך גל מוגבל, הם מאפשרים יצירת תפוקה של וואט אחד או יותר. התוצאה היא שייצור דיודת ה- ECDL הדו-שלבי, החליף במידה רבה את מורשת לייזר הגז (gas laser), לייזר צבע מתכוונן (tunable dye laser) וכמה התקנים על בסיס גבישים מוצקים. המגברים החדשים ביותר, משלבים בין בקרת אלקטרוניקה לניטור מתח (power monitoring) ובין מעגלי בקרת זרם עם משוב סגור. רמה חדשה זו של אמינות וקשיחות, מאפשרת למערכות אלו לעבוד ביישומים מחוץ למעבדה, כמו למשל ניטור אטמוספרי וטכנולוגית LIDAR . יתרה מזאת, ההספק הגבוה הזה מאפשר ביצוע תהליכים לא ליניאריים יעילים (efficient nonlinear processes), כמו למשל הכפִלת תדר, אשר היווה פתח ליישומים חדשים כמו מִחשוב קוונטי (quantum computing) ולכידת יונים (ion trapping), שקודם לכן לא היה ניתן היה לבצעם.
מערכות דיודות הלייזר נהנו במהלך עשרים שנה מהשקעות במיליארדי דולרים, שבוצעו בתחום האלקטרוניקה לצרכן. יישומים בתחום אחסון תקשורת ובתחום אחסון אופטי, העניקו לחוקרים גישה לדיודות זולות יותר בטווח הספק ואורכי גל רחבים יותר . נראה שסבב ההשקעה הבא, קרוב לוודאי מקורו יהיה מהביקוש לפרוג’קטורים באדום/ ירוק/ כחול (RGB). דיודות לייזר ירוקות ודיודות כחולות בהספק גבוה, יגרמו לכך שדיודות – ECDL יזכו להתקבל יותר ויותר, היות ואלו פותחות אפשרויות ליישומים חדשים, והופכות את הטכניקות הקיימות לפשוטות יותר. הן יקראו תגר על לייזרים יציבים בעלי תדר כפול (frequency-doubled solid state lasers), מבחינת יעילותם, והן מציעות מבחר רחב בהרבה של אורכי גל למדענים העובדים בתחום היישומים בספקטרוסקופיה ומטרולוגיה.
לייזרים מאפשרים פריצות דרך חדשות בפיזיקה גרעינית
יצירת מצב עניינים חדש. בניית מחשב קוונטום. יצירת המקום הקר ביותר בעולם. איתור תנודות זעירות ביותר בשדות כבידה. מדידת זמן לחלקיק של 1018 – אלו רק כמה מהחידושים וההתקדמות בתחום הפיסיקה הגרעינית שהתאפשרה בשנים האחרונות, הודות לפיתוח לייזרים ברמת דיוק גבוהה.
מצב חומר חמישי ה- – (Bose-Einstein Condensate), התיאוריה הנושאת אותו שם גובשה ב- 1925, אך לא ניתן היה ליישמה עד 1996, ע”י Cornell, Wieman & Keterrle, שזכו בפרס נובל לפיסיקה ב- 2001 על עבודתם זו. קירור בלייזר (שזיכה את Chu, Cohen-Tannoudji & Phillips בפרס נובל לפיסיקה ב-1997) באמצעות מלכודות מגנטיות-אופטיות (MOT), מאפשר קירור אטומים לתחום של ננו-קלווין (nano-Kalvin), ובכך יוצר עיבוי אטומים הפועלים ביחד ומציגים תופעות קוונטיות, שניתן להבחין בהן ברמה מיקרוסקופית. פריצות דרך אלו גרמו לשגשוג המחקר במגוון תחומים, כולל בתחום האינטרפרומטריה, שעונים בדיוק אטומי, תחומים מסוימים בפיסיקת הגוף, אופטיקה קוונטית ומידע קוונטי. בכנס בתחום הפיסיקה הגרעינית (ICAP), שהתקיים ב- Cairns, אוסטרליה, ביולי 2010, הודגש עד כמה תחום זה התפתח.
דיודות לייזר ECDL, מהוות כיום חלק מהותי בניסויים בתחום הפיסיקה הגרעינית. הם משמשים לקירור לייזר במצב MOT לצורך BEC, הם משמשים למניעת היווצרות גז פרמי ובמלכודות יונים. התקדמויות העת האחרונה הן בתחום רוחב פסי לייזר צרים יותר, ביכולת לנעילת תדר בדיוק מרבי, בקבלת רמות הספק גבוהות יותר ואורכי גל חדשים – אלו היו קריטיים לשימוש הנפוץ ביישומים מתחום הפיסיקה האטומית. בעוד התחום מתרחב לניסויים מורכבים יותר ויותר, וההתקדמות בתחומי זנים של אטומיים ויוניים חדשים, דיודות ה-ECDL, ימשיכו להתפתח, כדי לענות לצרכים התובעניים של התחום המרתק שהיא הפיזיקה האטומית.
מלקולם מינטי – מנהל שיווק מוצר ב- New Focus, שהוא סימן מסחרי של Newport Corp,
הכתבה נמסרה באדיבות חברת
NEW TECHNOLOGY
