NIST科学家在绿色激光技术领域取得了突破性进展

微光谐振器产生的一系列可见光颜色。资料来源：S. Kelley/NIST

多年来，科学家们已经制造出了能够产生红光和蓝光的高质量小型激光器。然而，他们通常采用的方法--向半导体注入电流--在制造能发出黄绿波长光的微型激光器时却不那么奏效。研究人员将可见光光谱这一区域缺乏稳定的微型激光器称为"绿色空白"。填补这一空白将为水下通信、医疗等领域带来新的机遇。

绿光激光指示器已经存在了 25 年，但它们只能产生窄光谱的绿光，而且没有集成在芯片中，无法与其他设备一起执行有用的任务。

紧凑型激光二极管可以发射红外线、红色和蓝色波长，但在产生绿色和黄色波长时效率很低，这一区域被称为"绿色间隙"。资料来源：S. Kelley/NIST

现在，美国国家标准与技术研究院（NIST）的科学家们通过改装一种微小的光学元件缩小了这一绿色差距：一种环形微谐振器，小到可以装在芯片上。

微型绿色激光光源可以改善水下通信，因为在大多数水生环境中，水对蓝绿色波长几乎是透明的。其他潜在的应用领域还包括全彩激光投影显示和激光治疗疾病，包括糖尿病视网膜病变（一种眼部血管增生）。

这一波长范围内的紧凑型激光器对于量子计算和通信领域的应用也非常重要，因为它们有可能将数据存储在量子信息的基本单位--量子比特中。目前，这些量子应用依赖于体积、重量和功率较大的激光器，这限制了它们在实验室外部署的能力。

几年来，由 NIST 的 Kartik Srinivasan 和联合量子研究所（JQI）（NIST 和马里兰大学的研究合作机构）领导的一个团队一直在使用由氮化硅组成的微谐振器将红外激光转换成其他颜色。当红外光被泵送到环形谐振器中时，光线会循环数千次，直到达到足以与氮化硅发生强烈相互作用的强度。这种相互作用被称为光参量振荡（OPO），会产生两种新波长的光，分别称为惰光和信号光。

被称为泵浦的红外激光被射入一个环形微谐振器，通过光参量振荡转换成两种新波长的光，即信号光和惰极光（上图）。信号光的波长在可见光范围内，而惰极光的红外波长长于泵浦激光器的波长。由于能量守恒，两个泵浦光子所携带的能量必须等于两个输出波长的单个光子所携带的能量之和（右下角）。资料来源：S. Kelley/NIST

在之前的研究中，研究人员产生了几种不同颜色的可见激光。微谐振器的尺寸决定了所产生的光的颜色，根据不同的尺寸，科学家们产生了红色、橙色和黄色波长的光，以及波长为 560 纳米的光，正好位于黄绿光之间。然而，研究小组无法产生填补绿色空白所需的全部黄色和绿色。

这项新研究的合作者、NIST 科学家孙毅说："我们不想只擅长于探测几个波长。希望在间隙中获取整个波长范围。"

为了填补这一空白，研究小组从两方面对微谐振器进行了改进。首先，科学家们将其稍微加厚。通过改变其尺寸，研究人员更容易产生能深入绿色间隙的光，波长短至 532 纳米（十亿分之一米）。随着波长范围的扩大，研究人员的研究覆盖了整个间隙。

传统的微谐振器（上图）通过 OPO 产生的波长有限。通过部分蚀刻掉微谐振器下的二氧化硅薄膜以形成"下切"，并使用更厚的氮化硅层（下图），NIST 的研究人员能够覆盖整个"绿隙"光谱范围，同时还提高了所产生波长的密度。资料来源：S. Kelley/NIST

此外，研究小组通过蚀刻掉微谐振器下面的一些二氧化硅层，使其暴露在更多的空气中。这样做的效果是降低了输出颜色对微孔尺寸和红外泵波长的敏感度。较低的灵敏度使研究人员能够更好地控制装置产生略有不同的绿色、黄色、橙色和红色波长。

因此，研究人员发现他们可以在绿色间隙中产生 150 多种不同的波长，并对它们进行微调。"斯里尼瓦桑指出："以前，我们用 OPO 生成的激光颜色可以有很大的变化，从红色到橙色到黄色到绿色，但很难在每个色带内进行微调。

通过改变红外泵的波长，NIST 研究人员可以在整个绿色间隙中产生可见光波长。底部的视频由研究人员拍摄，描述了这一过程。资料来源：S. Kelley/NIST

科学家们目前正在努力提高产生绿隙激光颜色的能效。目前，输出功率只有输入激光的零头。改善输入激光与将光导入微谐振器的波导之间的耦合，以及采用更好的方法提取产生的光，可以显著提高效率。

研究人员包括来自JQI的乔丹-斯通（Jordan Stone）和卢熙元（Xiyuan Lu），以及来自华盛顿州雷德蒙德Meta现实实验室研究部的史志敏，他们于8月21日在《光》杂志上在线报告了他们的研究成果：科学与应用》杂志上在线报告了他们的研究成果。

编译自/ScitechDaily