اپتیک و کوانتوم

نشانگرهای لیزر سبز 25 سال است که وجود دارند، اما آنها فقط در طیف باریکی از رنگ سبز نور تولید می کنند و در تراشه هایی که بتوانند با سایر دستگاه ها برای انجام کارهای مفید کار کنند، ادغام نمی شوند. دیودهای لیزر فشرده می توانند طول موج های مادون قرمز، قرمز و آبی ساطع کنند، اما در تولید طول موج های سبز و زرد بسیار ناکارآمد هستند. اکنون دانشمندان مؤسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) شکاف سبز را با اصلاح یک جزء نوری کوچک بسته‌اند: یک میکرورزوناتور حلقه‌ای شکل، به اندازه‌ای کوچک که بر روی یک تراشه قرار گیرد. این تحقیق در مجله Light: Science & Applications منتشر شده است.

یک منبع مینیاتوری از نور لیزر سبز می تواند ارتباطات زیر آب را بهبود بخشد زیرا آب در اکثر محیط های آبی تقریبا شفاف به طول موج های سبز آبی است. سایر کاربردهای بالقوه در نمایشگرهای پرتاب لیزری تمام رنگی و درمان با لیزر شرایط پزشکی، از جمله رتینوپاتی دیابتی، تکثیر عروق خونی در چشم است. لیزرهای فشرده در این محدوده طول موج نیز برای کاربردها در محاسبات کوانتومی و ارتباطات مهم هستند، زیرا می توانند داده ها را در کیوبیت ها، واحد اساسی اطلاعات کوانتومی، ذخیره کنند. برای چندین سال، تیمی به سرپرستی Kartik Srinivasan از NIST و موسسه کوانتومی مشترک (JQI)، یک مشارکت تحقیقاتی بین NIST و دانشگاه مریلند، از میکرورزوناتورهای متشکل از نیترید سیلیکون برای تبدیل نور لیزر مادون قرمز به رنگ‌های دیگر استفاده کرده‌اند. هنگامی که نور مادون قرمز به داخل تشدید کننده حلقه‌ای شکل پمپ می‌شود، نور هزاران بار می‌چرخد تا زمانی که شدت آن به حدی برسد که به شدت با نیترید سیلیکون تعامل داشته باشد. این فعل و انفعال که به عنوان نوسان پارامتریک نوری (OPO) شناخته می شود، دو طول موج جدید نور به نام های idler و سیگنال تولید می کند.

در مطالعات قبلی، محققان چند رنگ جداگانه از نور لیزر مرئی تولید کردند. بسته به ابعاد ریزرزوناتور، که رنگ های نور تولید شده را تعیین می کند، دانشمندان طول موج های قرمز، نارنجی و زرد و همچنین طول موج 560 نانومتر را درست در لبه مویی بین نور زرد و سبز تولید کردند. با این حال، تیم نتوانست مکمل کاملی از رنگ های زرد و سبز لازم برای پر کردن شکاف سبز را ایجاد کند. یی سان، دانشمند NIST، یکی از همکاران در مطالعه جدید، گفت: ما نمی‌خواستیم در برخورد با چند طول موج خوب باشیم. ما می خواستیم به کل محدوده طول موج در شکاف دسترسی داشته باشیم. برای پر کردن این شکاف، تیم میکرورزوناتور را به دو روش اصلاح کردند. ابتدا دانشمندان آن را کمی غلیظ کردند. با تغییر ابعاد آن، محققان به راحتی نوری را تولید کردند که به عمق بیشتری در شکاف سبز نفوذ کرد، تا طول موج‌هایی به کوتاه‌تر از 532 نانومتر (میلیاردم متر). با این دامنه گسترده، محققان کل شکاف را پوشش دادند.

بعلاوه، تیم میکرورزوناتور را با حکاکی کردن مقداری از لایه دی اکسید سیلیکون زیر آن در معرض هوای بیشتری قرار دادند. این امر باعث شد رنگ های خروجی نسبت به ابعاد میکرورینگ و طول موج پمپ مادون قرمز حساسیت کمتری داشته باشند. حساسیت کمتر به محققان کنترل بیشتری در تولید طول موج‌های سبز، زرد، نارنجی و قرمز متفاوت از دستگاهشان داد. در نتیجه، محققان دریافتند که می توانند بیش از 150 طول موج مجزا را در سراسر شکاف سبز ایجاد کرده و آنها را به خوبی تنظیم کنند. Srinivasan خاطرنشان کرد: «پیش از این، می‌توانستیم تغییرات بزرگی از قرمز به نارنجی تا زرد تا سبز در رنگ‌های لیزری که می‌توانستیم با OPO ایجاد کنیم، ایجاد کنیم، اما انجام تنظیمات کوچک در هر یک از این نوارهای رنگی دشوار بود.

دانشمندان اکنون در حال کار برای افزایش بهره وری انرژی هستند که با آن رنگ های لیزری با شکاف سبز تولید می کنند. در حال حاضر توان خروجی تنها چند درصد از توان لیزر ورودی است. کوپلینگ بهتر بین لیزر ورودی و موجبر که نور را به میکرو رزوناتور هدایت می کند، همراه با روش های بهتر جمع آوری نور تولید شده، می تواند به طور قابل توجهی کارایی را بهبود بخشد.

More information: Yi Sun et al, Advancing on-chip Kerr optical parametric oscillation towards coherent applications covering the green gap, Light: Science & Applications (2024).