Inom forskning visar sig ibland den ojämna vägen vara den bästa. Genom att skapa små, periodiska stötar i en miniatyrbana för ljus, har forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och deras kollegor vid Joint Quantum Institute (JQI), ett forskningspartnerskap mellan University of Maryland och NIST, konverterat nära-infrarött (NIR) laserljus till specifika önskade våglängder av synligt ljus med hög noggrannhet och effektivitet.

Tekniken har potentiella tillämpningar inom precisionstidtagning och kvantinformationsvetenskap, som kräver mycket specifika våglängder av synligt laserljus som inte alltid kan uppnås med diodlasrar (enheter som liknar LED-ljus) för att driva atomära eller solid-state system.

Helst bör våglängderna genereras i en kompakt enhet, såsom ett fotoniskt chip, så att kvantsensorer och optiska atomklockor kan användas utanför laboratoriet, inte längre kopplade till skrymmande optisk utrustning.

I tidigare experiment använde NIST-forskaren Kartik Srinivasan och hans kollegor perfekt släta mikroresonatorer – ringformade enheter med en diameter som är ungefär en fjärdedel av tjockleken på ett människohår – för att omvandla en enda våglängd av NIR-ljus till två andra våglängder.

Resonatorn, tillräckligt liten för att passa på ett mikrochip, kan utformas så att en av de två utgående våglängderna faller inom spektrumet av synligt ljus. Transformationen inträffar när NIR-laserljuset, begränsat till att ringa den ringformade resonatorn tusentals gånger, når tillräckligt höga intensiteter för att starkt interagera med resonatormaterialet.

I teorin, genom att välja en viss radie, bredd och höjd på resonatorn – som bestämmer egenskaperna hos ljuset som kan resonera i ringen – kan forskare välja vilken som helst bland en regnbåge av färger som är möjliga med tekniken. I praktiken är dock metoden, känd som optisk parametrisk oscillation (OPO), inte alltid exakt. Även avvikelser så små som några nanometer (miljarddelar av en meter) från mikroringens specificerade dimensioner ger färger för synligt ljus som skiljer sig markant från den önskade utgående våglängden.

Som ett resultat har forskare varit tvungna att tillverka så många som 100 mikroringar av kiselnitrid för att vara säkra på att åtminstone några skulle ha rätt dimensioner för att generera målvåglängden. Men inte ens den mödosamma åtgärden garanterar framgång.

Nu har Srinivasan och hans medarbetare, ledda av Jordan Stone från JQI, visat att de genom att introducera ofullkomligheter – små, periodiska korrugeringar eller stötar – längs ytan av en mikroresonator kan välja en specifik utgående våglängd av synligt ljus med en noggrannhet på 99,7 %. Med förbättringar, sa Stone, bör tekniken producera våglängder för synligt ljus som är exakta till bättre än 99,9 % av sina målvärden, ett krav för att driva optiska atomklockor och andra högprecisionsenheter.

Forskarna beskriver sitt arbete i Nature Photonics .

"I våra tidigare experiment nådde vi det allmänna intervallet för en våglängd av intresse, men för många applikationer är det inte tillräckligt bra. Du måste verkligen spika våglängden till en hög grad av noggrannhet," sa Stone. "Vi uppnår nu denna noggrannhet genom att införliva ett periodiskt arrangemang av korrugeringar på en mikroringsresonator."

Principen som styr den optiska omvandlingen av en ingång med en våglängd till två utgångar med olika våglängder är lagen om energibevarande:Energin som bärs av två av ingångsfotonerna från den nära-infraröda lasern måste vara lika med energin som bärs av utsignalen fotoner:En med kortare våglängd (högre energi) och en med längre (lägre energi) våglängd. I detta fall är den kortare våglängden synligt ljus.

Dessutom måste var och en av ingångs- och utgångsvåglängderna motsvara en av de resonansvåglängder som tillåts av mikroringens dimensioner, precis som längden på en stämgaffel bestämmer den specifika ton som den ger resonans vid.

I sin nya studie designade forskarna en mikroring vars dimensioner, utan korrugeringar, inte skulle ha tillåtit fotonerna att resonera i ringen och producera nya våglängder eftersom processen inte skulle ha sparat energi.

Men när teamet skulpterade ringen med små, periodiska korrugeringar, ändrade dess dimensioner, tillät det OPO att fortsätta och omvandla NIR-laserljuset till en specifik våglängd av synligt ljus plus en annan mycket längre våglängd. Dessa OPO-genererade färger, till skillnad från de som tidigare skapats av släta mikroringar, kan kontrolleras exakt av avståndet och bredden på stötarna.

Korrugeringarna fungerar som små speglar som tillsammans reflekterar fram och tillbaka synligt ljus som rasar runt ringen - men bara för en viss våglängd. Reflexerna resulterar i att två identiska vågor färdas runt ringen i motsatta riktningar. Inuti ringen interfererar de motsatta vågorna med varandra för att skapa ett mönster som kallas en stående våg – en vågform vars toppar förblir fixerade vid en viss punkt i rymden när vågen vibrerar, som en plockad gitarrsträng.

Detta leder till en förskjutning mot en längre eller kortare våglängd, beroende på om den stående vågen interagerar mer med korrugeringarnas toppar eller dalar. I båda fallen bestäms storleken på skiftet av höjden på guppet. Eftersom gupparna bara fungerar som en spegel för en specifik ljusvåglängd, garanterar tillvägagångssättet att när OPO inträffar har den genererade signalvågen den exakta önskade våglängden.

Genom att något ändra våglängden på den infraröda lasern som driver OPO-processen kan eventuella brister i korrugeringarna kompenseras för, sa Stone.

Mer information: Jordan R. Stone et al, Våglängdsnoggrann icke-linjär konvertering genom vågnummerselektivitet i fotoniska kristallresonatorer, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01326-6

Journalinformation: Naturfotonik

Tillhandahålls av National Institute of Standards and Technology