NIST udoskonala niewielką technologię precyzyjnego widzialnego światła laserowego

W badaniach czasami wyboista ścieżka jest najlepsza. Tworząc maleńkie, okresowe nierówności na miniaturowym torze wyścigowym, naukowcy z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) oraz ich koledzy z Joint Quantum Institute (JQI), partnerstwa badawczego pomiędzy Uniwersytetem Maryland i NIST, przekształcili niemal Światło lasera podczerwonego (NIR) Do wymaganej określonej długości fali światła widzialnego z dużą dokładnością i wydajnością.

Technika ta ma potencjalne zastosowania w precyzyjnym pomiarze czasu i informatyce kwantowej, które wymagają bardzo specyficznych długości fal widzialnego światła laserowego, których nie zawsze można osiągnąć za pomocą laserów diodowych (urządzeń typu LED) do zasilania systemów atomowych lub półprzewodnikowych.

W idealnym przypadku długości fal powinny być generowane w kompaktowym urządzeniu, takim jak chip optyczny, tak aby czujniki kwantowe i optyczne zegary atomowe mogły być stosowane poza laboratorium i nie były już ograniczone nieporęcznymi urządzeniami optycznymi.

W poprzednich eksperymentach badacz NIST Kartik Srinivasan i jego współpracownicy używali urządzeń w postaci idealnie gładkich mikroringów o grubości około jednej czwartej ludzkiego włosa, aby przekształcić jedną długość fali światła NIR w dwie inne długości fal. Rezonator, który jest wystarczająco mały, aby zmieścić się w mikrochipie, można zaprojektować tak, aby jedna z dwóch wyjściowych długości fal mieściła się w widmie światła widzialnego. Przejście następuje, gdy światło lasera NIR, zamknięte tysiące razy w obwodzie rezonatora w kształcie pierścienia, osiąga natężenie wystarczająco wysokie, aby silnie oddziaływać z materiałem rezonatora.

Teoretycznie, wybierając określony promień, szerokość i wysokość rezonatora – który określa właściwości światła, które może rezonować w pierścieniu – badacze mogliby przy użyciu tej techniki wybrać dowolny z tęczy możliwych kolorów. Jednak w praktyce metoda zwana optyczną oscylacją parametryczną (OPO) nie zawsze jest dokładna. Nawet niewielkie odchylenia do kilku nanometrów (miliardowych części metra) od określonych wymiarów mikropierścienia powodują, że barwy światła widzialnego znacznie różnią się od pożądanej długości fali wyjściowej.

W rezultacie badacze musieli wyprodukować do 100 maleńkich pierścieni z azotku krzemu, aby mieć pewność, że przynajmniej część z nich będzie miała prawidłowe wymiary, aby wygenerować docelową długość fali. Ale nawet ta żmudna procedura nie gwarantuje sukcesu.

Teraz Srinivasan i jego współpracownicy, pod przewodnictwem Jordana Stone’a z JQI, wykazali, że wprowadzając defekty — drobne, okresowe zmarszczki lub nierówności — wzdłuż powierzchni mikrorezonatora, mogą określić konkretną długość fali światła widzialnego z dokładnością do 99,7%. Dzięki udoskonaleniom technologia powinna wytwarzać długości fal światła widzialnego z dokładnością do ponad 99,9 procent wartości docelowych, co jest wymogiem działania optycznych zegarów atomowych i innych precyzyjnych urządzeń, powiedział Stone.

Naukowcy opisali swoją pracę w Internecie w wydaniu czasopisma z 16 listopada Fotonika przyrody.

„W naszych poprzednich eksperymentach dotarliśmy do ogólnego zakresu długości fali będącej przedmiotem zainteresowania, ale w przypadku wielu zastosowań to nie wystarczy. Naprawdę trzeba określić długość fali z dużą dokładnością” – powiedział Stone. „Teraz osiągnęliśmy tę precyzję poprzez wprowadzenie okresowego układu zmarszczek na rezonator mikroringowy”.

Zasada rządząca optyczną konwersją sygnału wejściowego o pojedynczej długości fali na dwa wyjścia Różne długości fal Jest to prawo zachowania energii: energia przenoszona przez dwa fotony wejściowe z lasera bliskiej podczerwieni musi być równa energii przenoszonej przez fotony wyjściowe: jeden o krótszej długości fali (wyższa energia) i drugi o większej długości fali (niższa energia). W tym przypadku krótsza długość fali to światło widzialne.

Ponadto zarówno długość fal wejściowych, jak i wyjściowych musi odpowiadać jednej z długości fal rezonansowych dozwolonych przez wymiary mikrorezonansu, podobnie jak długość kamertonu określa konkretny ton, który rezonuje.

W nowym badaniu naukowcy zaprojektowali mikropierścień, którego wymiary bez pofałdowań nie pozwoliłyby fotonom na rezonację w pierścieniu i wytworzenie nowych długości fal, ponieważ proces ten nie oszczędzałby energii.

Kiedy jednak zespół wyrzeźbił pierścień za pomocą małych okresowych zmarszczek, zmieniając jego wymiary, pozwolił OPO pójść dalej, przekształcając światło lasera NIR w światło widzialne o określonej długości fali, a także inną, znacznie dłuższą długość fali. Te kolory tworzone przez OPO, w odróżnieniu od tych, które dotychczas tworzyły gładkie mikroringi, można precyzyjnie kontrolować poprzez rozstaw i szerokość guzków.

Zmarszczki działają jak maleńkie zwierciadła, które wspólnie odbijają światło widzialne przepływające tam i z powrotem wokół pierścienia, ale tylko dla jednej określonej długości fali. Odbicia powodują powstanie dwóch identycznych fal poruszających się po pierścieniu w przeciwnych kierunkach. Wewnątrz pierścienia przeciwstawnie rozchodzące się fale interferują ze sobą, tworząc wzór zwany falą stojącą — kształt fali, której grzbiet pozostaje nieruchomy w określonym punkcie przestrzeni, gdy fala wibruje, niczym szarpana struna gitary.

Przekłada się to na przesunięcie w kierunku dłuższej lub krótszej długości fali, w zależności od tego, czy fala stojąca oddziałuje bardziej z grzbietami czy dolinami zmarszczek. W obu przypadkach o wielkości przekształcenia decyduje wysokość wychodni. Ponieważ wybrzuszenia działają jak lustro tylko dla określonej długości fali światła, takie podejście gwarantuje, że w przypadku wystąpienia OPO wygenerowana fala sygnału będzie miała dokładnie żądaną długość fali.

Stone powiedział, że zmieniając nieznacznie długość fali światła podczerwonego napędzającego proces OPO, można skompensować wszelkie niedoskonałości tętnienia.

Badania: Jordan R. Stone, Xuan Lu, Gregory Moyle, Daron Westley, Tahmidur Rahman i Kartik Srinivasan. Dokładna nieliniowa konwersja długości fali poprzez selektywność liczby fal w rezonatorach z kryształem fotonicznym. Nature Photonics, publikacja online 16 listopada 2023 r. DOI: https://doi.org/10.1038/s41566-023-01326-6