От години учените произвеждат малки висококачествени лазери, които генерират червена и синя светлина. Обикновено използваният от тях метод - вкарване на електрически ток в полупроводници - обаче не работи толкова добре при създаването на малки лазери, които излъчват светлина с жълта и зелена дължина на вълната. Изследователите наричат недостига на стабилни миниатюрни лазери в тази област на спектъра на видимата светлина „зелена празнина“. Запълването на тази празнина открива нови възможности в областта на подводните комуникации, медицинското лечение и др.

Зелени лазерни указатели съществуват от 25 години, но те произвеждат светлина само в тесен спектър на зеленото и не са интегрирани в чипове, където биха могли да работят заедно с други устройства, за да изпълняват полезни задачи.

Сега учени от Националния институт по стандартизация и технологии (NIST) запълниха зеления пропуск, като модифицираха малък оптичен компонент: пръстеновиден микрорезонатор, достатъчно малък, за да се побере на чип.

Миниатюрният източник на зелена лазерна светлина може да подобри подводната комуникация, тъй като в повечето водни среди водата е почти прозрачна за синьо-зелените вълни. Други потенциални приложения са в пълноцветни лазерни прожекционни дисплеи и лазерно лечение на медицински състояния, включително диабетна ретинопатия - разрастване на кръвоносните съдове в окото.

Компактните лазери в този диапазон на дължината на вълната са важни и за приложения в квантовите компютри и комуникации, тъй като потенциално могат да съхраняват данни в кюбити - основната единица на квантовата информация. Понастоящем тези квантови приложения зависят от лазери с по-големи размери, тегло и мощност, което ограничава възможността за използването им извън лабораторията.

В продължение на няколко години екип, ръководен от Картик Сринивасан от NIST и Съвместния квантов институт (JQI), изследователско партньорство между NIST и Университета на Мериленд, използва микрорезонатори, съставени от силициев нитрид, за преобразуване на инфрачервена лазерна светлина в други цветове. Когато инфрачервената светлина се вкара в пръстеновидния резонатор, тя обикаля хиляди пъти, докато достигне достатъчно висок интензитет, за да взаимодейства силно със силициевия нитрид. Това взаимодействие, известно като оптична параметрична осцилация (ОПО), създава две нови дължини на вълната на светлината, наречени „празен ход“ и „сигнал“.

В предишни проучвания изследователите генерират няколко отделни цвята видима лазерна светлина. В зависимост от размерите на микрорезонатора, които определят цветовете на генерираната светлина, учените създадоха червена, оранжева и жълта дължина на вълната, както и дължина на вълната от 560 нанометра, точно на границата между жълтата и зелената светлина. Въпреки това екипът не успя да генерира пълния набор от жълти и зелени цветове, необходими за запълване на зелената празнина.

„Не искахме да сме добри в улавянето само на няколко дължини на вълната“, казва ученият от NIST И Сун, сътрудник в новото изследване. „Искахме да получим достъп до целия диапазон от дължини на вълните в празнината.“

За да запълни празнината, екипът модифицира микрорезонатора по два начина. Първо, учените леко го удебеляват. Променяйки размерите му, изследователите по-лесно генерираха светлина, която проникваше по-дълбоко в зелената празнина, до дължини на вълните от 532 нанометра (милиардни части от метъра). Благодарение на този разширен обхват изследователите покриват цялата празнина.

Освен това екипът излага микрорезонатора на повече въздух, като ецва част от слоя силициев диоксид под него. Това е довело до намаляване на чувствителността на цветовете на изхода към размерите на микрорезонатора и дължината на вълната на инфрачервената помпа. По-ниската чувствителност е дала на изследователите по-голям контрол при генерирането на леко различни зелени, жълти, оранжеви и червени дължини на вълните от тяхното устройство.

В резултат на това изследователите установили, че могат да създадат повече от 150 различни дължини на вълните в зелената празнина и да ги настроят фино. „Преди това можехме да правим големи промени - от червено до оранжево, от жълто до зелено - в цветовете на лазера, които можехме да генерираме с OPO, но беше трудно да правим малки корекции във всяка от тези цветови ленти“, отбелязва Сринивасан.

Сега учените работят за повишаване на енергийната ефективност, с която произвеждат цветовете на лазерите със зелени пролуки. Понастоящем изходната мощност е само няколко процента от тази на входния лазер. По-доброто свързване между входния лазер и вълновода, който насочва светлината към микрорезонатора, както и по-добрите методи за извличане на генерираната светлина биха могли значително да подобрят ефективността.

Снимка: Unsplash/S. Kelley/NIST

Виж още: Осем от десет проекта, свързани с изкуствен интелект, се провалят, прахосвайки милиарди средства