Naukowcy NIST dokonali przełomu w technologii laserowej, wypełniając „zieloną lukę” nowymi mikrorezonatorami, które generują szeroki zakres zielonego światła.
- Naukowcy od lat produkują małe czerwone i niebieskie lasery, ale inne kolory stanowiły wyzwanie.
- Naukowcy wypełnili ważną lukę technologiczną, tworząc pomarańczowe, żółte i zielone lasery, które są tak małe, że mieszczą się w chipie.
- Ciche, kompaktowe lasery pracujące w tym zakresie długości fal są ważne w wykrywaniu kwantowym, komunikacji i przetwarzaniu informacji.
Wypełnianie zielonej luki: innowacje w technologii laserowej
Nie jest łatwo zrobić coś zielonego.
Przez lata naukowcy wytwarzali małe, wysokiej jakości lasery generujące światło czerwone i niebieskie. Jednak metoda, którą zwykle stosują — wstrzykiwanie prądu elektrycznego półprzewodniki — nie sprawdził się tak dobrze przy budowie małych laserów emitujących światło o długości fali żółtej i zielonej. Naukowcy nazywają brak stabilnych, miniaturowych laserów w tym obszarze widma światła widzialnego „zieloną luką”. Wypełnienie tej luki otwiera nowe możliwości w zakresie komunikacji podwodnej, leczenia i nie tylko.
Zielone wskaźniki laserowe istnieją od 25 lat, ale emitują światło jedynie w wąskim spektrum zieleni i nie są zintegrowane w chipach, gdzie mogłyby współpracować z innymi urządzeniami w celu wykonywania przydatnych zadań.
Postęp w komponentach optycznych
Teraz naukowcy z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) wypełnili zieloną lukę, modyfikując maleńki element optyczny: mikrorezonator w kształcie pierścienia, wystarczająco mały, aby zmieścił się w chipie.
Miniaturowe źródło zielonego światła laserowego mogłoby usprawnić komunikację podwodną, ponieważ w większości środowisk wodnych woda jest prawie przezroczysta dla niebiesko-zielonych fal. Inne potencjalne zastosowania obejmują pełnokolorowe laserowe wyświetlacze projekcyjne i laserowe leczenie schorzeń, w tym retinopatii cukrzycowej i proliferacji naczyń krwionośnych w oku.
Udoskonalanie obliczeń kwantowych za pomocą zielonych laserów
Lasery kompaktowe pracujące w tym zakresie długości fal są również ważne w zastosowaniach m.in obliczenia kwantowe i komunikację, ponieważ mogłyby potencjalnie przechowywać dane w kubitach, podstawowej jednostce informacji kwantowej. Obecnie te zastosowania kwantowe zależą od laserów o większych rozmiarach, wadze i mocy, co ogranicza ich możliwość zastosowania poza laboratorium.
Przez kilka lat zespół kierowany przez Kartika Srinivasana z NIST i Joint Quantum Institute (JQI), partnerstwo badawcze pomiędzy NIST a Uniwersytetem Maryland, wykorzystywał mikrorezonatory składające się z azotku krzemu do przekształcania światła lasera podczerwonego na inne kolory. Kiedy światło podczerwone jest pompowane do rezonatora w kształcie pierścienia, światło krąży tysiące razy, aż osiągnie intensywność wystarczająco wysoką, aby silnie oddziaływać z azotkiem krzemu. Ta interakcja, znana jako optyczna oscylacja parametryczna (OPO), wytwarza dwie nowe długości fal światła, zwane kołem pośredniczącym i sygnałem.
Optymalizacja technik produkcji laserowej
W poprzednich badaniach naukowcy wygenerowali kilka indywidualnych kolorów widzialnego światła lasera. W zależności od wymiarów mikrorezonatora, które określają barwę generowanego światła, naukowcy wytworzył fale o długości czerwonej, pomarańczowej i żółtej, a także długość fali 560 nanometrówtuż przy owłosionej krawędzi pomiędzy żółtym i zielonym światłem. Zespołowi nie udało się jednak wygenerować pełnego zestawu kolorów żółtego i zielonego niezbędnego do wypełnienia zielonej luki.
„Nie chcieliśmy być dobrzy w docieraniu do zaledwie kilku długości fal” – powiedziała Yi Sun, naukowiec NIST, współpracownik nowego badania. „Chcieliśmy uzyskać dostęp do całego zakresu długości fal w szczelinie”.
Aby wypełnić tę lukę, zespół zmodyfikował mikrorezonator na dwa sposoby. Najpierw naukowcy nieco go zagęścili. Zmieniając jego wymiary, badacze łatwiej generowali światło, które wnikało głębiej w zieloną szczelinę, do długości fal tak krótkich jak 532 nanometrów (miliardowych części metra). Dzięki tak rozszerzonemu zakresowi badacze wypełnili całą lukę.
Ponadto zespół wystawił mikrorezonator na działanie większej ilości powietrza, wytrawiając część znajdującej się pod nim warstwy dwutlenku krzemu. Skutkowało to zmniejszeniem wrażliwości kolorów wyjściowych na wymiary mikropierścieni i długość fali pompy podczerwieni. Niższa czułość dała badaczom większą kontrolę nad generowaniem przez swoje urządzenie nieco innych długości fal w kolorze zielonym, żółtym, pomarańczowym i czerwonym.
W rezultacie naukowcy odkryli, że mogą stworzyć ponad 150 różnych długości fal w zielonej przerwie i dostroić je. „Wcześniej mogliśmy wprowadzać duże zmiany — od czerwonego przez pomarańczowy, od żółtego do zielonego — w kolorach laserowych generowanych za pomocą OPO, ale trudno było dokonać drobnych korekt w każdym z tych pasm kolorów” – zauważył Srinivasan.
Naukowcy pracują obecnie nad zwiększeniem efektywności energetycznej wytwarzania kolorów lasera z zieloną szczeliną. Obecnie moc wyjściowa stanowi zaledwie kilka procent mocy lasera wejściowego. Lepsze sprzężenie między laserem wejściowym a falowodem kierującym światło do mikrorezonatora, a także lepsze metody ekstrakcji generowanego światła mogłyby znacznie poprawić wydajność.
Naukowcy, w skład których wchodzą Jordan Stone i Xiyuan Lu z JQI, a także Zhimin Shi z Meta’s Reality Labs Research w Redmond w stanie Waszyngton, ogłosili swoje odkrycia 21 sierpnia w czasopiśmie internetowym Światło: nauka i zastosowania.
Odniesienie: „Postępowanie optycznej oscylacji parametrycznej Kerra na chipie w kierunku spójnych zastosowań obejmujących zieloną lukę” autorstwa Yi Sun, Jordan Stone, Xiyuan Lu, Feng Zhou, Junyeob Song, Zhimin Shi i Kartik Srinivasan, 21 sierpnia 2024 r., Światło: nauka i zastosowania.
DOI: 10.1038/s41377-024-01534-x
