Nye mikrochip-enheder producerer en bred vifte af laserfarver

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Maryland har udviklet en mikrochipteknologi, der kan konvertere usynligt nær-infrarødt laserlys til en hvilken som helst af en række af synlige laserfarver, herunder rød, orange, gul og grøn. Deres arbejde giver en ny tilgang til at generere laserlys på integrerede mikrochips.

Teknikken har anvendelser inden for præcisionstidtagning og kvanteinformationsvidenskab, som ofte er afhængige af atomare eller faststofsystemer, der skal drives med synligt laserlys ved præcist specificerede bølgelængder. Tilgangen antyder, at en lang række af sådanne bølgelængder kan tilgås ved hjælp af en enkelt, lille platform, i stedet for at kræve omfangsrige, bordlasere eller en række forskellige halvledermaterialer. Konstruktion af sådanne lasere på mikrochips giver også en billig måde at integrere lasere med optiske miniaturekredsløb, der er nødvendige for optiske ure og kvantekommunikationssystemer.

Studiet, rapporteret i udgaven af ​​20. oktober af Optica , bidrager til NIST on a Chip, et program, der miniaturiserer NISTs avancerede målevidenskabelige teknologi, gør det muligt at distribuere det direkte til brugere i industrien, medicin, forsvar og akademia.

Atomsystemer, der udgør hjertet af de mest præcise og nøjagtige eksperimentelle ure og nye værktøjer til kvanteinformationsvidenskab, er typisk afhængige af højfrekvent synligt (optisk) laserlys for at fungere, i modsætning til de meget lavere frekvensmikrobølger, der bruges til at indstille officiel tid på verdensplan.

Forskere udvikler nu atomare optiske systemteknologier, der er kompakte og fungerer ved lav effekt, så de kan bruges uden for laboratoriet. Mens der kræves mange forskellige elementer for at realisere en sådan vision, en nøgleingrediens er adgang til synligt lys lasersystemer, der er små, let og fungerer ved lav effekt.

Selvom forskere har gjort store fremskridt med at skabe kompakte, højtydende lasere ved de nær-infrarøde bølgelængder, der bruges i telekommunikation, det har været udfordrende at opnå tilsvarende ydeevne ved synlige bølgelængder. Nogle forskere har gjort fremskridt ved at anvende halvledermaterialer til at generere kompakte lasere til synligt lys. I modsætning, Xiyuan Lu, Kartik Srinivasan og deres kolleger ved NIST og University of Maryland i College Park antog en anden tilgang, med fokus på et materiale kaldet siliciumnitrid, som har en udtalt ikke-lineær reaktion på lys.

Materialer som siliciumnitrid har en særlig egenskab:Hvis indkommende lys har høj nok intensitet, farven på det udgående lys matcher ikke nødvendigvis farven på det lys, der kom ind. Det skyldes, at når bundne elektroner i et ikke-lineært optisk materiale interagerer med indfaldende lys med høj intensitet, elektronerne genudsender dette lys ved frekvenser, eller farver, der adskiller sig fra det indfaldende lys.

(Denne effekt står i kontrast til den daglige oplevelse af at se lys prelle af et spejl eller bryde gennem en linse. I de tilfælde, farven på lyset forbliver altid den samme.)

Lu og hans kolleger brugte en proces kendt som tredje-ordens optisk parametrisk oscillation (OPO), hvor det ikke-lineære materiale omdanner indfaldende lys i det nær-infrarøde til to forskellige frekvenser. En af frekvenserne er højere end det indfaldende lys, placere den i det synlige område, og den anden er lavere i frekvens, strækker sig dybere ind i det infrarøde. Selvom forskere har brugt OPO i årevis til at skabe forskellige farver af lys i store, bordoptiske instrumenter, den nye NIST-ledede undersøgelse er den første, der anvender denne effekt til at producere særlige bølgelængder af synligt lys på en mikrochip, der har potentiale til masseproduktion.

For at miniaturisere OPO-metoden, forskerne rettede det nær-infrarøde laserlys ind i en mikroresonator, en ringformet enhed mindre end en milliontedel kvadratmeter i areal og fremstillet på en siliciumchip. Lyset inde i denne mikroresonator cirkulerer omkring 5, 000 gange før det forsvinder, opbygning af en høj nok intensitet til at få adgang til det ikke-lineære regime, hvor det bliver konverteret til de to forskellige udgangsfrekvenser.

For at skabe et væld af synlige og infrarøde farver, holdet fremstillede snesevis af mikroresonatorer, hver med lidt forskellige dimensioner, på hver mikrochip. Forskerne valgte omhyggeligt disse dimensioner, så de forskellige mikroresonatorer ville producere udgangslys i forskellige farver. Holdet viste, at denne strategi muliggjorde en enkelt nær-infrarød laser, der varierede i bølgelængde med en relativt lille mængde, til at generere en bred vifte af specifikke synligt lys og infrarøde farver.

I særdeleshed, selvom inputlaseren fungerer over et snævert område af nær-infrarøde bølgelængder (fra 780 nanometer til 790 nm), mikrochipsystemet genererede synligt lysfarver fra grøn til rød (560 nm til 760 nm) og infrarøde bølgelængder fra 800 nm til 1, 200 nm.

"Fordelen ved vores tilgang er, at enhver af disse bølgelængder kan tilgås blot ved at justere dimensionerne af vores mikroresonatorer, " sagde Srinivasan.

"Selvom en første demonstration, " Lu sagde, "vi er begejstrede for muligheden for at kombinere denne ikke-lineære optikteknik med veletableret nær-infrarød laserteknologi for at skabe nye typer on-chip lyskilder, der kan bruges i en række forskellige applikationer."