Gør bumpet:Forskere perfektionerer miniaturiseret teknik til at generere præcise bølgelængder af synligt laserlys

Inden for forskning viser den ujævne vej sig nogle gange at være den bedste. Ved at skabe små, periodiske bump i en miniatureracerbane for lys har forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og deres kolleger ved Joint Quantum Institute (JQI), et forskningspartnerskab mellem University of Maryland og NIST, konverteret nær-infrarødt (NIR) laserlys ind i specifikke ønskede bølgelængder af synligt lys med høj nøjagtighed og effektivitet.

Teknikken har potentielle anvendelser inden for præcisionstidtagning og kvanteinformationsvidenskab, som kræver meget specifikke bølgelængder af synligt laserlys, som ikke altid kan opnås med diodelasere (enheder beslægtet med LED-lys) til at drive atomare eller solid state-systemer.

Ideelt set bør bølgelængderne genereres i en kompakt enhed, såsom en fotonisk chip, så kvantesensorer og optiske atomure kan installeres uden for laboratoriet, ikke længere bundet til omfangsrigt optisk udstyr.

I tidligere eksperimenter brugte NIST-forsker Kartik Srinivasan og hans kolleger perfekt glatte mikroresonatorer – ringformede enheder med en diameter på cirka en fjerdedel af tykkelsen af ​​et menneskehår – til at omdanne en enkelt bølgelængde af NIR-lys til to andre bølgelængder.

Resonatoren, der er lille nok til at passe på en mikrochip, kan designes, så en af ​​de to udgangsbølgelængder falder inden for spektret af synligt lys. Transformationen sker, når NIR-laserlyset, begrænset til at cirkulere den ringformede resonator tusindvis af gange, når intensiteter høje nok til at interagere kraftigt med resonatormaterialet.

I teorien kan forskere ved at vælge en bestemt radius, bredde og højde af resonatoren - som bestemmer egenskaberne af lyset, der kan give genlyd i ringen - vælge en hvilken som helst blandt en regnbue af farver, der er mulige med teknikken. I praksis er metoden, kendt som optisk parametrisk oscillation (OPO), dog ikke altid præcis. Selv afvigelser så små som nogle få nanometer (milliarddele af en meter) fra mikroringens specificerede dimensioner producerer synligt lysfarver, der adskiller sig væsentligt fra den ønskede output-bølgelængde.

Som følge heraf har forskere været nødt til at fremstille så mange som 100 af siliciumnitrid-mikreringene for at være sikre på, at i det mindste nogle ville have de rigtige dimensioner til at generere målbølgelængden. Men selv den besværlige foranstaltning garanterer ikke succes.

Nu har Srinivasan og hans samarbejdspartnere, ledet af Jordan Stone fra JQI, demonstreret, at de ved at indføre ufuldkommenheder - bittesmå, periodiske korrugeringer eller bump - langs overfladen af ​​en mikroresonator kan vælge en specifik udgangsbølgelængde af synligt lys med en nøjagtighed på 99,7 %. Med forbedringer, sagde Stone, skulle teknikken producere synligt lys bølgelængder nøjagtige til bedre end 99,9% af deres målværdier, et krav for at drive optiske atomure og andre højpræcisionsenheder.

Forskerne beskriver deres arbejde i Nature Photonics .

"I vores tidligere eksperimenter nåede vi det generelle område af en bølgelængde af interesse, men for mange anvendelser er det ikke godt nok. Du skal virkelig sømme bølgelængden til en høj grad af nøjagtighed," sagde Stone. "Vi opnår nu denne nøjagtighed ved at inkorporere et periodisk arrangement af korrugeringer på en mikroringresonator."

Princippet, der styrer den optiske transformation af et input med enkelt bølgelængde til to udgange med forskellige bølgelængder, er loven om energiens bevarelse:Den energi, der bæres af to af input-fotonerne fra den nær-infrarøde laser, skal være lig med den energi, der bæres af outputtet fotoner:En med kortere bølgelængde (højere energi) og en med længere (lavere energi) bølgelængde. I dette tilfælde er den kortere bølgelængde synligt lys.

Derudover skal hver af input- og output-bølgelængderne svare til en af ​​de resonansbølgelængder, der tillades af mikroringens dimensioner, ligesom længden af ​​en stemmegaffel bestemmer den ene specifikke tone, som den giver genklang.

I deres nye undersøgelse designede forskerne en mikroring, hvis dimensioner uden korrugeringer ikke ville have tilladt fotonerne at resonere i ringen og producere nye bølgelængder, fordi processen ikke ville have sparet energi.

Men da holdet skulpturerede ringen med små, periodiske korrugeringer og ændrede dens dimensioner, tillod det OPO at fortsætte og transformerede NIR-laserlyset til en specifik bølgelængde af synligt lys plus en anden meget længere bølgelængde. Disse OPO-genererede farver, i modsætning til dem, der tidligere er skabt af glatte mikroringe, kan styres præcist af afstanden og bredden af ​​bumpene.

Korrugeringerne fungerer som små spejle, der tilsammen reflekterer frem og tilbage synligt lys, der løber rundt i ringen - men kun for en bestemt bølgelængde. Refleksionerne resulterer i, at to identiske bølger bevæger sig rundt i ringen i modsatte retninger. Inde i ringen interfererer de mod-udbredende bølger med hinanden for at skabe et mønster kendt som en stående bølge - en bølgeform, hvis toppe forbliver faste på et bestemt punkt i rummet, mens bølgen vibrerer, som en plukket guitarstreng.

Dette udmønter sig i et skift mod en længere eller kortere bølgelængde, afhængigt af om den stående bølge interagerer mere med bølgernes toppe eller lave. I begge tilfælde bestemmes størrelsen af ​​skiftet af bumpens højde. Fordi bumpene kun fungerer som et spejl for en bestemt bølgelængde af lys, garanterer tilgangen, at når OPO opstår, har den genererede signalbølge den nøjagtige ønskede bølgelængde.

Ved en smule at ændre bølgelængden af ​​den infrarøde laser, der driver OPO-processen, kan eventuelle ufuldkommenheder i korrugeringerne kompenseres for, sagde Stone.

Flere oplysninger: Jordan R. Stone et al., Bølgelængde-nøjagtig ikke-lineær konvertering gennem bølgetalselektivitet i fotoniske krystalresonatorer, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01326-6

Journaloplysninger: Naturfotonik

Leveret af National Institute of Standards and Technology