NIST 的科學家在雷射技術領域取得了突破性進展，他們利用新型微諧振器填補了”綠色空白”，這種微諧振器能產生廣泛的綠光。多年來，科學家已經製造出了小型的紅色和藍色雷射器，但其他顏色的雷射一直是個難題。現在，研究人員製造出了足以裝入晶片的橙色、黃色和綠色雷射器，填補了一項重要的技術空白。這一波長範圍內的低雜訊、緊湊型雷射對於量子感測、通訊和資訊處理非常重要。

微光諧振器產生的一系列可見光顏色。資料來源：S. Kelley/NIST

多年來，科學家們已經製造出了能夠產生紅光和藍光的高品質小型雷射。然而，他們通常採用的方法–向半導體注入電流–在製造能發出黃綠波長光的微型雷射時卻不那麼奏效。研究人員將可見光光譜這一區域缺乏穩定的微型雷射稱為”綠色空白”。填補這一空白將為水下通訊、醫療等領域帶來新的機會。

綠光雷射指示器已經存在了25 年，但它們只能產生窄光譜的綠光，而且沒有整合在晶片中，無法與其他設備一起執行有用的任務。

緊湊型雷射二極體可以發射紅外線、紅色和藍色波長，但在產生綠色和黃色波長時效率很低，這一區域被稱為”綠色間隙”。資料來源：S. Kelley/NIST

現在，美國國家標準與技術研究院（NIST）的科學家們透過改裝一種微小的光學元件縮小了這一綠色差距：一種環形微諧振器，小到可以裝在晶片上。

微型綠色雷射光源可以改善水下通信，因為在大多數水生環境中，水對藍綠色波長幾乎是透明的。其他潛在的應用領域還包括全彩雷射投影顯示和雷射治療疾病，包括糖尿病視網膜病變（一種眼部血管增生）。

這一波長範圍內的緊湊型雷射對於量子計算和通訊領域的應用也非常重要，因為它們有可能將資料儲存在量子資訊的基本單位–量子位元中。目前，這些量子應用依賴於體積、重量和功率較大的雷射器，這限制了它們在實驗室外部署的能力。

幾年來，由NIST 的Kartik Srinivasan 和聯合量子研究所（JQI）（NIST 和馬裡蘭大學的研究合作機構）領導的一個團隊一直在使用由氮化矽組成的微諧振器將紅外線雷射轉換成其他顏色。當紅外線光被泵送到環形諧振器中時，光線會循環數千次，直到達到足以與氮化矽發生強烈相互作用的強度。這種相互作用被稱為光參量振盪（OPO），會產生兩種新波長的光，分別稱為惰光和訊號光。

被稱為泵浦的紅外線雷射被射入一個環形微諧振器，透過光參量振盪轉換成兩種新波長的光，即訊號光和惰極光（上圖）。訊號光的波長在可見光範圍內，而惰極光的紅外線波長長於泵浦雷射的波長。由於能量守恆，兩個泵浦光子所攜帶的能量必須等於兩個輸出波長的單一光子所攜帶的能量總和（右下角）。資料來源：S. Kelley/NIST

在先前的研究中，研究人員產生了幾種不同顏色的可見雷射。微諧振器的尺寸決定了所產生的光的顏色，根據不同的尺寸，科學家產生了紅色、橙色和黃色波長的光，以及波長為560 奈米的光，正好位於黃綠光之間。然而，研究團隊無法產生填補綠色空白所需的全部黃色和綠色。

這項新研究的合作者、NIST 科學家孫毅說：”我們不想只擅長探測幾個波長。希望在間隙中獲得整個波長範圍。”

為了填補這一空白，研究小組從兩方面對微諧振器進行了改進。首先，科學家們將其稍微加厚。透過改變其尺寸，研究人員更容易產生能深入綠色間隙的光，波長短至532 奈米（十億分之一公尺）。隨著波長範圍的擴大，研究人員的研究涵蓋了整個間隙。

傳統的微諧振器（上圖）透過OPO 產生的波長有限。透過部分蝕刻掉微諧振器下的二氧化矽薄膜以形成”下切”，並使用更厚的氮化矽層（下圖），NIST 的研究人員能夠覆蓋整個”綠隙”光譜範圍，同時還提高了所產生波長的密度。資料來源：S. Kelley/NIST

此外，研究團隊透過蝕刻掉微諧振器下方的一些二氧化矽層，使其暴露在更多的空氣中。這樣做的效果是降低了輸出顏色對微孔尺寸和紅外線泵浦波長的敏感度。較低的靈敏度使研究人員能夠更好地控制裝置產生略有不同的綠色、黃色、橙色和紅色波長。

因此，研究人員發現他們可以在綠色間隙中產生150 多種不同的波長，並對它們進行微調。 “斯里尼瓦桑指出：”以前，我們用OPO 生成的雷射顏色可以有很大的變化，從紅色到橙色到黃色到綠色，但很難在每個色帶內進行微調。

透過改變紅外線泵浦的波長，NIST 研究人員可以在整個綠色間隙中產生可見光波長。底部的影片由研究人員拍攝，描述了這一過程。資料來源：S. Kelley/NIST

科學家目前正在努力提高產生綠隙雷射顏色的能源效率。目前，輸出功率只有輸入雷射的零頭。改善輸入雷射與將光導入微諧振器的波導之間的耦合，以及採用更好的方法來提取產生的光，可以顯著提高效率。

研究人員包括來自JQI的喬丹-斯通（Jordan Stone）和盧熙元（Xiyuan Lu），以及來自華盛頓州雷德蒙德Meta現實實驗室研究部的史志敏，他們於8月21日在《光》雜誌上在線報告了他們的研究成果：科學與應用》雜誌上在線報告了他們的研究成果。

編譯自/ ScitechDaily