由微环谐振器产生的一系列可见光颜色。信贷:
美国凯利/ NIST
制造绿色并不容易。
多年来，科学家们已经制造出能够产生红光和蓝光的小型高质量激光器。然而，他们通常采用的方法——向半导体注入电流——在制造发射黄绿色波长光的微型激光器时效果并不好。研究人员将可见光光谱中这一区域缺乏稳定的微型激光器称为“绿隙”。填补这一空白将为水下通信、医疗等领域带来新的机遇。
绿色激光笔已经存在了25年，但它们只能发出很窄的绿色光谱，而且没有集成到芯片中，无法与其他设备一起执行有用的任务。
紧凑的激光二极管可以发射红外线、红色和蓝色波长，但在产生绿色和黄色波长时效率非常低，这一区域被称为“绿隙”。信贷:
美国凯利/ NIST
现在，美国国家标准与技术研究院(NIST)的科学家们通过改进一种微小的光学元件——一个小到可以装在芯片上的环形微谐振器，缩小了绿色差距。
一种微型绿色激光光源可以改善水下通信，因为在大多数水生环境中，水对蓝绿色波长几乎是透明的。其他潜在的应用是全彩激光投影显示器和医疗条件的激光治疗，包括糖尿病视网膜病变，眼部血管增生。
这个波长范围内的紧凑型激光器对于量子计算和通信的应用也很重要，因为它们有可能以量子比特(量子信息的基本单位)存储数据。目前，这些量子应用依赖于尺寸、重量和功率更大的激光器，限制了它们在实验室外部署的能力。
几年来，由NIST的Kartik Srinivasan和NIST与马里兰大学合作的联合量子研究所(JQI)领导的一个团队已经使用由氮化硅组成的微谐振器将红外激光转换成其他颜色。当红外光被泵入环形谐振器时，光循环数千次，直到达到足以与氮化硅强烈相互作用的强度。这种相互作用被称为光学参量振荡(OPO)，产生两种新的光波长，称为惰光和信号。
被称为泵浦的红外激光被射入一个环形微腔
Nator和co
通过光学参量振荡转换成两个新波长的光，称为信号光和闲散光(上图)。该信号的波长位于可见光范围内，而空转信号的红外波长为lo
比泵浦激光器长。由于能量是守恒的，两个泵浦光子携带的能量必须等于两个输出波长中单个光子携带的能量之和(右下)。信贷:
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在之前的研究中，研究人员产生了几种不同颜色的可见激光。根据微谐振器的尺寸(它决定了所产生的光的颜色)，科学家们产生了红色、橙色和黄色的波长，以及560纳米的波长，正好在黄光和绿光之间的毛茸茸的边缘。然而，该团队无法生成足够的黄色和绿色来填补绿色的空白。
“我们不想只擅长几个波长，”NIST的科学家孙毅说，他是这项新研究的合作者。“我们想要在间隙中访问整个波长范围。”
为了填补这一空白，该团队以两种方式修改了微谐振器。首先，科学家们稍微增厚了它。通过改变它的尺寸，研究人员更容易产生穿透绿色间隙更深的光，波长短至532纳米(一米的十亿分之一)。有了这个扩大的范围，研究人员覆盖了整个缺口。
此外，研究小组通过蚀刻掉微谐振器下面的二氧化硅层，将微谐振器暴露在更多的空气中。这使得输出颜色对微环尺寸和红外泵浦波长的敏感性降低。较低的灵敏度使研究人员在从他们的设备产生略微不同的绿色、黄色、橙色和红色波长时能够更好地控制。
有限公司
nventional microreso
nator(上)通过OPO产生的波长是有限的。通过在显微镜下部分蚀刻掉二氧化硅薄膜
NIST的研究人员通过制造“凹边”并使用更厚的氮化硅层(底部)，能够覆盖整个“绿隙”光谱范围，同时还提高了所产生波长的密度。信贷:
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结果，研究人员发现他们可以在绿隙中产生150多种不同的波长，并对它们进行微调。斯里尼瓦桑说:“以前，我们可以对OPO产生的激光颜色进行大的改变，从红色到橙色，从黄色到绿色，但是很难在每个颜色范围内进行小的调整。”
通过改变红外泵浦的波长，NIST的研究人员可以产生穿过整个绿隙的可见光波长。下面的视频是由研究人员拍摄的，描述了这个过程。信贷:
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科学家们现在正致力于提高产生绿隙激光颜色的能源效率。目前，输出功率仅为输入激光功率的百分之几。输入激光器和引导光进入微谐振器的波导之间更好的耦合，以及更好的提取产生光的方法，可以显著提高效率。
研究人员包括来自JQI的Jordan Stone和Xiyuan Lu，以及来自华盛顿州雷德蒙德meta现实实验室研究的shiimin Shi，他们于8月21日在《光:科学与应用》在线上发表了他们的发现。
论文:
孙毅，Jordan Stone, Lu Xiyuan, Zhou Feng, Song Junyeob, Shi Zhimin, Kartik Srinivasan。推进片上克尔光学参量振荡向覆盖绿隙的相干应用。光:科学与应用。2024年8月21日在线发布。DOI: 10.1038 / s41377 - 024 - 01534 - x。
