微型新型雷射填補了可見光顏色彩虹中長期存在的空白，開啟了新的應用

打造綠色並不容易。多年來，科學家們已經製造出了能夠產生紅光和藍光的小型高品質雷射。然而，他們通常採用的方法——將電流注入半導體——在製造發出黃色和綠色波長光的微型雷射方面效果不佳。

研究人員將可見光譜區域內缺乏穩定的微型雷射稱為「綠色差距」。填補這一空白為水下通訊開闢了新的機遇，醫療等等。

綠色雷射筆已經存在了 25 年，但它們僅產生窄譜綠光，並且沒有整合在晶片中，無法與其他設備一起工作來執行有用的任務。

現在，美國國家標準與技術研究所 (NIST) 的科學家們透過修改一個微小的光學元件來縮小綠色差距：一個環形微諧振器，小到足以安裝在晶片上。該研究是發表在日記中光：科學與應用。

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。其他潛在的應用包括全彩雷射投影顯示器和雷射治療醫療狀況，包括糖尿病視網膜病變（眼部血管增生）。

此波長範圍內的緊湊型雷射對於以下應用也很重要量子計算和通信，因為它們有可能將資料儲存在量子位元（量子資訊的基本單位）中。目前，這些量子應用依賴於尺寸、重量和功率較大的雷射器，限制了它們在實驗室外部署的能力。

多年來，由 NIST 和聯合量子研究所 (JQI)（NIST 與馬裡蘭大學的研究合作夥伴）的 Kartik Srinivasan 領導的團隊一直使用氮化矽組成的微諧振器將紅外線雷射轉換為其他顏色。什麼時候紅外線當光被泵入環形諧振器時，光會旋轉數千次，直到其強度足夠高，足以與氮化矽發生強烈相互作用。這種交互作用稱為光參量振盪 (OPO)，會產生兩種新波長的光，稱為閒頻光和訊號光。

在先前的研究中，研究人員產生了幾種單獨顏色的可見雷射。根據微諧振器的尺寸（決定所產生光的顏色），科學家產生了紅色、橙色和黃色波長，以及 560 奈米的波長，正好位於黃光和綠光之間的毛茸茸的邊緣。然而，該團隊無法產生填補綠色空白所需的完整黃色和綠色。

「我們不想只擅長擊中幾個波長，」這項新研究的合作者、NIST 科學家 Yi Sun 說。 “我們希望獲得間隙中的整個波長範圍。”

為了填補這一空白，團隊透過兩種方式修改了微諧振器。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更深入綠色間隙的光，波長短至 532 奈米（十億分之一公尺）。透過擴大範圍，研究人員彌補了整個空白。

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，將微諧振器暴露在更多的空氣中。這使得輸出顏色對微環尺寸和紅外線泵浦波長不太敏感。較低的靈敏度使研究人員能夠更好地控制從他們的設備產生略有不同的綠色、黃色、橙色和紅色波長。

結果，研究人員發現他們可以在綠光間隙中產生 150 多種不同的波長並對其進行微調。 「以前，我們可以對使用 OPO 生成的雷射顏色進行重大更改（紅色到橙色到黃色到綠色），但很難在每個色帶內進行微小調整，」Srinivasan 指出。

科學家現在正在努力提高產生綠隙雷射顏色的能源效率。目前，輸出功率僅為輸入雷射功率的百分之幾。輸入雷射和將光引導到微諧振器的波導之間更好的耦合，以及提取所產生的光的更好方法，可以顯著提高效率。

作者包括 JQI 的 Jordan Stone 和 Xiyuan Lu，以及來自華盛頓州雷德蒙德 Meta 現實實驗室研究的施志敏。