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你喜欢什么颜色的激光呢?

991    2020-10-29    发布者:中国测试杂志社    来源:NIST 翻译:中国测试新闻中心

美国国家标准与技术研究院(NIST)和马里兰大学的研究人员发明了一种微芯片技术,该技术可将不可见的近红外激光转换为可见激光颜色中的任何一种,包括红色,橙色,黄色和绿色。他们的研究提供了一种在集成微芯片上产生激光的新方法。

该技术在精密计时和量子信息科学中有所应用,这些技术通常依赖原子或固态系统,而这些系统必须由特定波长的可见激光驱动。该方法表明,使用单一的小型平台就可以获得大范围的特定波长,而不需要笨重的台式激光器或一系列不同的半导体材料。在微芯片上构造此类激光器同时还提供了一种低成本的、可以将激光器与光学时钟和量子通信系统所需的微型光学电路集成在一起的方法。这项发表在10月20日出版的《Optica》杂志上的研究为NIST芯片项目做出了贡献,该项目将NIST最先进的测量科学技术微型化,使其能够直接分发给工业、医学、国防和学术界的用户。

图一  图片来源:NIST

一系列纳米光子谐振器的几何形状略有不同,它们通过相同的近红外泵浦激光器产生不同颜色的可见光。

构成最精确的实验时钟核心的原子系统和量子信息科学的新工具通常依赖于高频可见激光来工作,而不是用于设定全球官方时间的频率低得多的微波。科学家们现在正在开发小巧、低功耗的原子光学系统技术,以便在实验室外使用。虽然实现这一愿景需要许多不同的要素,但其中一个关键要素是获得小型、轻型和低功率运行的可见激光系统。

尽管研究人员在制造用于通信的近红外波长的小型高性能激光器方面已经取得了很大的进展,一些科学家已经利用半导体材料制造出了小型的可见激光器,但要在可见光波段实现等效性能仍是一项挑战。相比之下,NIST的Lu Xiyuan, Kartik Srinivasan和他们的同事采用了一种不同的方法,专注于一种被称为氮化硅的材料,这种材料对光有显著的非线性反应。

像氮化硅这样的材料有一种特性:如果入射光的强度足够高,那么出射光的颜色就不一定与入射光的颜色相匹配。这是因为当非线性光学材料中的束缚电子与高强度入射光相互作用时,电子会以不同于入射光的频率或颜色重新辐射该光(这种效果与看到光从镜子上反射或通过透镜折射的日常体验形成对比。在那些情况下,光的颜色始终保持不变)。

Lu和他的同事采用了一种被称为三阶光学参量振荡(OPO)的方法,其中非线性材料将近红外的入射光转换成两个不同的频率。其中一个频率高于入射光的频率,使其处于可见范围内,而另一个频率较低,从而更深地延伸至红外线深处。尽管研究人员多年来一直使用OPO在大型的台式光学仪器中制造不同颜色的光,但由NIST主导的这项新研究是第一次将这种效应应用于微芯片上以产生特定的可见光波长,这种微芯片具有大规模生产的潜力。

为了使OPO小型化,研究人员将近红外激光引入微型谐振器。这是一种制造在硅芯片上的面积不到百万分之一平方米的环形器件,微型谐振器内的光在消散之前循环了大约5000次,从而建立了一个足够高的强度来进入非线性状态,在那里光被转换成两种不同的输出频率。

为了创造多种可见光和红外线颜色,研究小组在每个微芯片上制造了几十个微型谐振器,每个微型谐振器的尺寸略有不同。研究人员仔细挑选了这些尺寸,以便不同的微型谐振器能输出不同颜色的光。研究人员发现,这种方法可以使一个波长变化相对较小的近红外激光器产生大范围的特定可见光和红外线颜色。

特别地,尽管输入激光器在较窄的近红外波长范围内工作(780~790nm),但微芯片系统却可以发出颜色范围从绿色到红色(560~760 nm) 的可见光,及800~1200 nm的红外波长。

Srinivasan说:“我们采用这种方法的好处是,只要调整微型谐振器的尺寸,就可以获得这些波长中的任何一个。”“尽管是首次尝试,”Lu说,“但我们很高兴将这种非线性光学技术与成熟的近红外激光技术相结合,创造出可用于多种场合的新型芯片内光源。”



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