لیزرهای کوچک جدید یک شکاف طولانی مدت در رنگین کمان رنگ‌های نور مرئی را پر می‌کنند و برنامه‌های کاربردی جدیدی را باز می‌کنند.

ساختنش آسان نیست سبز

سال‌هاست که دانشمندان لیزرهای کوچک و باکیفیتی ساخته‌اند که نور قرمز و آبی تولید می‌کنند. با این حال، روشی که آنها معمولاً استفاده می کنند – تزریق جریان الکتریکی به نیمه هادی ها – در ساخت لیزرهای کوچکی که نور در طول موج های زرد و سبز ساطع می کنند، به خوبی کار نکرده است. محققان از کمبود لیزرهای پایدار و مینیاتوری در این ناحیه از طیف نور مرئی به عنوان “شکاف سبز” یاد می کنند. پر کردن این شکاف فرصت های جدیدی را در ارتباطات زیر آب، درمان های پزشکی و موارد دیگر باز می کند.

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.

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.

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. در حال حاضر، این کاربردهای کوانتومی به لیزرهایی بستگی دارد که از نظر اندازه، وزن و قدرت بزرگتر هستند و توانایی آنها را برای استقرار در خارج از آزمایشگاه محدود می کند.

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. با توجه 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 تولید کرد.، درست در لبه مودار بین نور زرد و سبز. 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.

علاوه بر این، این تیم با حکاکی کردن مقداری از لایه دی اکسید سیلیکون زیر آن، ریزرزوناتور را 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 موج های 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، ما می‌توانستیم تغییرات بزرگی را در رنگ‌های لیزری که می‌توانستیم با OPO ایجاد کنیم – قرمز به نارنجی، زرد تا سبز – ایجاد کنیم، اما انجام تنظیمات کوچک در هر یک از این باندهای 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. جفت بهتر بین لیزر ورودی و موجبر که نور را به ریزرزوناتور هدایت می کند، همراه با روش های بهتر استخراج نور تولید شده، می تواند به طور قابل توجهی کارایی را بهبود بخشد.

محققان، که شامل جردن استون و ژیوان لو از JQI، به همراه ژیمین شی از پژوهشگاه Reality Labs Meta در ردموند، واشنگتن هستند، یافته های خود را در 21 اوت به صورت آنلاین در نور: علم و کاربردها.

---

کاغذ:

یی سان، جردن استون، شی یوان لو، فنگ ژو، جونیوب سانگ، ژیمین شی و کارتیک سرینیواسان. پیشبرد نوسان پارامتری نوری Kerr روی تراشه به سمت برنامه های منسجمی که شکاف سبز را پوشش می دهد. نور: علم و کاربردها. منتشر شده آنلاین در 21 اوت 2024. DOI: 10.1038/s41377-024-01534-x.