比以往更明亮，“微型绿光激光器”改变游戏规则

多年来，科学家们已经制造出了小型红光和蓝光激光器，但对于研制其他波长激光器，始终存在技术难题有待解决。近年来，研究人员制造出了足以装在芯片上的橙光、黄光和绿光激光器，填补了一项重要的技术空白。这一波长范围内的低噪声小型激光器，对于量子传感、通信和信息处理非常重要。

NIST在绿光激光技术方面取得突破，可产生宽光谱的绿色波长，为医疗、量子和水下应用打开了新的大门

缩小绿光差距：激光技术的创新
目前，科学家们已经制造出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是向半导体中注入电流，但在制造能发出黄光和绿光波长小型激光器方面，效果并不理想。

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“绿光空白”。填补这一空白为水下通信、医疗等领域带来了新的机遇。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，而且没有集成到芯片中，无法与其他设备一起执行重要任务。

微波谐振器产生的一系列可见光颜色

光学元件的进步
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光学元件缩小了绿光光源的差距：一种环形微谐振器，小到可以装在芯片上。

微型绿光激光源可以改善水下通信，因为在大多数水生环境中，水对蓝绿光波长几乎是透明的。其他潜在的应用领域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）。

紧凑型激光二极管可以发射红外线、红光和蓝光波长，但在产生绿光和黄光波长时效率很低，这一区域被称为“绿色间隙”

利用绿光激光器提升量子计算能力
这一波长范围内的紧凑型激光器，还对量子计算和通信领域应用非常重要，因为它们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、重量和功率都较大的激光器，这限制了它们在实验室外部署的能力。

几年来，NIST的Kartik Srinivasan和联合量子研究所（NIST和马里兰大学的研究合作机构）领导的团队，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波长的光。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学参量振荡（OPO），会产生两种新波长的光，分别称为闲置光和信号光。

被称为泵浦的红外激光被射入一个环形微谐振器，并通过光参量振荡转换成两种新波长的光，即信号光和闲置光（上图）。信号光的波长在可见光范围内，而闲置光的红外波长长于泵浦激光器的波长。由于能量是守恒的，因此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）

优化激光生产技术
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光的颜色，根据微谐振器的尺寸，科学家们产生了红光、橙光和黄光波长的光，以及波长为560nm的光，正好位于黄绿光之间。然而，研究小组无法产生填补绿光空白所需的全部黄光和绿光。

这项新研究的合作者、NIST科学家Yi Sun说：我们不想只擅长于探测几个波长。我们希望在间隙中获得整个波长范围。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，研究人员将其稍微加厚。通过改变微谐振器的尺寸，可以更容易产生能深入绿光间隙的光，波长短至532nm（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面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

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他们的设备产生略有不同的绿光、黄光、橙光和红光波长。

因此，研究人员发现他们可以在绿光间隙中产生150多种不同的波长，并对它们进行微调。Srinivasan指出：以前，可以用OPO生成的激光颜色可以有很大的变化，从红光到橙光，从黄光到绿光，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光间隙中产生可见光波长

目前，研究团队正在努力提高产生绿光间隙激光颜色的能效。目前，输出功率只有输入激光的百分之几。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。