Автор AZoNano 15 октября 2020 г.

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) и Университета Мэриленда разработали микрочиповую технологию, которая может преобразовывать невидимый ближний инфракрасный лазерный свет в любой из множества видимых цветов лазера, включая красный , оранжевый, желтый и зеленый. Их работа обеспечивает новый подход к генерации лазерного света на интегрированных микрочипах.

Этот метод находит применение в точном измерении времени и квантовой информатике, которые часто полагаются на атомные или твердотельные системы, которые должны работать с видимым лазерным светом с точно заданными длинами волн. Этот подход предполагает, что широкий диапазон таких длин волн может быть доступен с помощью единой, маломасштабной платформы, вместо того, чтобы требовать громоздких настольных лазеров или ряда различных полупроводниковых материалов. Создание таких лазеров на микрочипах также обеспечивает недорогой способ интеграции лазеров с миниатюрными оптическими схемами, необходимыми для оптических часов и систем квантовой связи.

Исследование, опубликованное в выпуске Optica от 20 октября, вносит свой вклад в NIST on a Chip, программу, которая миниатюризирует современную измерительную технологию NIST, позволяя ее распространять непосредственно пользователям в промышленности, медицине, обороне и академических кругах.

Атомные системы, которые составляют основу наиболее точных и точных экспериментальных часов и новых инструментов для квантовой информатики, обычно полагаются на работу высокочастотного видимого (оптического) лазерного света, в отличие от используемых гораздо более низкочастотных микроволн. установить официальное время по всему миру.

Ученые сейчас разрабатывают технологии атомных оптических систем, которые являются компактными и работают с низким энергопотреблением, чтобы их можно было использовать вне лаборатории. Хотя для реализации такого видения требуется множество различных элементов, одним из ключевых ингредиентов является доступ к лазерным системам видимого света, которые являются небольшими, легкими и работают на малой мощности.

Хотя исследователи добились больших успехов в создании компактных, высокоэффективных лазеров в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн, используемых в телекоммуникациях, было сложно достичь эквивалентных характеристик на видимых длинах волн. Некоторые ученые добились успехов, используя полупроводниковые материалы для создания компактных лазеров видимого света. Напротив, Сиюань Лу, Картик Сринивасан и их коллеги из NIST и Университета Мэриленда в Колледж-Парке использовали другой подход, сосредоточившись на материале, называемом нитрид кремния, который имеет ярко выраженную нелинейную реакцию на свет.

Такие материалы, как нитрид кремния, обладают особым свойством: если падающий свет имеет достаточно высокую интенсивность, цвет выходящего света не обязательно соответствует цвету входящего света. Это потому, что, когда связанные электроны в нелинейно-оптическом материале взаимодействуют с падающим светом высокой интенсивности, электроны повторно излучают этот свет на частотах или цветах, которые отличаются от таковых падающего света.

(Этот эффект контрастирует с повседневным опытом, когда свет отражается от зеркала или преломляется через линзу. В таких случаях цвет света всегда остается неизменным.)

Лу и его коллеги использовали процесс, известный как оптические параметрические колебания третьего порядка (OPO), в котором нелинейный материал преобразует падающий свет в ближней инфракрасной области в две разные частоты. Одна из частот выше, чем у падающего света, что помещает ее в видимый диапазон, а другая – ниже по частоте, простираясь глубже в инфракрасный. Хотя исследователи использовали OPO в течение многих лет для создания различных цветов света в больших настольных оптических приборах, новое исследование под руководством NIST является первым, в котором этот эффект применяется для получения определенных длин волн видимого света на микрочипе, который потенциально может массовое производство.

Чтобы миниатюризировать метод OPO, исследователи направили ближний инфракрасный лазерный свет на микрорезонатор, устройство в форме кольца площадью менее одной миллионной квадратного метра, изготовленное на кремниевом чипе. Свет внутри этого микрорезонатора циркулирует около 5000 раз, прежде чем рассеется, создавая достаточно высокую интенсивность, чтобы перейти в нелинейный режим, где он преобразуется в две разные выходные частоты.

Чтобы создать множество видимых и инфракрасных цветов, команда изготовила десятки микрорезонаторов, каждый с немного разными размерами, на каждом микрочипе. Исследователи тщательно выбрали эти размеры, чтобы разные микрорезонаторы давали свет разных цветов. Команда показала, что эта стратегия позволила одному лазеру ближнего инфракрасного диапазона, длина волны которого варьировалась на относительно небольшую величину, генерировать широкий диапазон определенных цветов видимого света и инфракрасного излучения.

В частности, хотя входной лазер работает в узком диапазоне длин волн ближнего инфракрасного диапазона (от 780 нм до 790 нм), система микрочипов генерирует цвета видимого света в диапазоне от зеленого до красного (от 560 нм до 760 нм) и инфракрасные длины волн от 800 до 1200 нм.

«Преимущество нашего подхода в том, что к любой из этих длин волн можно получить доступ, просто отрегулировав размеры наших микрорезонаторов», сказал Шринивасан.

«Хотя это была первая демонстрация, – сказал Лу, – мы рады возможности комбинировать этот метод нелинейной оптики с хорошо зарекомендовавшей себя лазерной технологией ближнего инфракрасного диапазона для создания новых типов он- чип-источники света, которые можно использовать в различных приложениях ».

Источник: http://www.nist.gov/