产生精确波长可见激光的技术

通过在微谐振器上添加微小的周期性凹凸，研究人员能够将近红外线（NIR）激光高精度、高效率地转换成特定波长的可见光。这项技术由美国国家标准与技术研究院（NIST）及其在马里兰大学联合量子研究所（JQI）共同开发，有望应用于精确计时和量子信息科学领域，因为这些领域需要高度特定波长的可见激光，而二极管激光器并非总能实现。

理想情况下，波长应在光子芯片等紧凑型设备中产生，这样量子传感器和光学原子钟就可以部署在实验室外，而不必受制于笨重的光学设备。

在以前的实验中，NIST研究员Kartik Srinivasan和他的同事们使用光滑的微谐振器（一种直径约为头发丝四分之一粗细的环形装置）将单一波长的近红外光转换成另外两种波长。这种谐振器非常小，可以安装在微芯片上，其设计可以使两个输出波长中的一个波长位于可见光的光谱范围内。当近红外激光绕环形谐振器数千圈，达到足以与谐振器材料发生强烈相互作用的强度时，就会发生转换。

NIST早期的实验使用了环形微谐振器，可将近红外激光分成长波长和短波长两部分

从理论上讲，通过选择谐振器的特定半径、宽度和高度（它们决定了能在环中产生共鸣的光的特性），研究人员可以从该技术可能产生的彩虹色中选择任何一种。但实际上，这种被称为光学参数振荡（OPO）的方法并不总是那么精确。与微环指定尺寸的偏差小至几个纳米，产生的可见光颜色就会与所需的输出波长大相径庭。

因此，以前研究人员必须制造多达100个氮化硅微环，才能确信至少有一些微环具有产生目标波长的正确尺寸。尽管如此，仍然不能保证实验成功。

现在，Srinivasan和他的合作者，在JQI公司Jordan Stone的领导下，证明了通过在微谐振器表面引入缺陷——微小、周期性的波纹或凹凸，就可以选择特定的可见光输出波长，精确度达到99.7%。Stone表示，经过改进，这项技术产生的可见光波长的精确度应能达到目标值的99.9%以上，而这正是为光学原子钟和其他高精度设备供电的要求。

“在我们之前的实验中，达到了感兴趣波长的大致范围，但对于许多应用来说，这还不够好，必须把波长精确到很高的程度，”Stone说，“我们现在通过在微环谐振器上加入周期性排列的波纹来实现这一精确度。”

能量守恒定律是将单波长输入光转变为两个不同波长输出光的原理。来自近红外激光器的两个输入光子所携带的能量必须等于输出光子所携带的能量：一个波长较短，一个波长较长。在这种情况下，波长较短的光子就是可见光。

此外，每个输入和输出波长必须与微环尺寸所允许的共振波长之一相对应，就像音叉的长度决定其共振频率一样。在新研究中，研究人员设计了一种微环，如果微环的尺寸没有波纹，光子就无法在微环中产生共振并产生新的波长，因为这一过程无法保持能量。

目前的实验设计包括在环上切割波纹作为镜子。波纹反射的可见光波长恰好是波纹周期的两倍，因此可见光可以在环的两个方向上循环，并产生所需的颜色

然而，当研究小组用微小的周期性波纹雕刻微环并改变其尺寸时，它允许光学参数振荡继续工作，将近红外激光转化为特定波长的可见光和另一种更长的波长。这些由光学参数振荡生成的颜色与以前由光滑微环生成的颜色不同，可以通过凹凸的间距和宽度进行精确控制。

这些波纹就像一面面小镜子，共同反射着环上来回飞驰的可见光，但只反射一种特定波长的光。反射的结果是两个相同的波以相反的方向绕环传播。在环内，反向传播的波相互干扰，形成一种被称为驻波的模式，这种波形的峰值在波振动时固定在空间的某一点，就像拨动的吉他弦一样。

根据驻波与波纹的波峰或波谷的相互作用程度，驻波会向更长或更短的波长移动。在这两种情况下，位移的大小都取决于凸起的高度。由于凸点只对特定波长的光起到镜像作用，因此这种方法可以保证在发生OPO时，产生的信号波具有准确的预期波长。Stone说，通过稍微改变驱动OPO过程的红外激光的波长，就可以补偿波纹中的任何缺陷。