一系列纳米光子谐振器的几何形状略有不同，它们通过相同的近红外泵浦激光器产生不同颜色的可见光。图片来源：NIST
美国国家标准技术研究院（NIST）和马里兰大学的研究人员开发了一种微芯片技术，可以将不可见的近红外激光转换为可见的激光颜色中的任何一种，包括红色，橙色，黄色和绿色。 。他们的工作提供了一种在集成微芯片上产生激光的新方法。
该技术在精密计时和量子信息科学中有应用，这些技术通常依赖于原子或固态系统，这些系统必须由精确指定波长的可见激光驱动。该方法表明，可以使用单个小型平台访问广泛的此类波长，而不需要笨重的台式激光器或一系列不同的半导体材料。在微芯片上构造此类激光器还提供了一种低成本的方法，可以将激光器与光学时钟和量子通信系统所需的微型光学电路集成在一起。
这项研究发表在10月20日的Optica上，对NIST on Chip有所贡献，该计划使NIST最新的测量科学技术小型化，使其可以直接分发给工业，医药，国防领域的用户和学术界。
构成最精确，最精确的实验时钟核心的原子系统和量子信息科学的新工具通常依靠高频可见（光学）激光进行操作，而不是用来设定正式频率的低得多频率的微波。世界时间。
科学家现在正在开发紧凑且低功耗的原子光学系统技术，以便可以在实验室外使用。虽然实现这种视觉需要许多不同的元素，但关键因素之一是使用可见光激光系统，该系统体积小，重量轻且以低功率工作。
尽管研究人员在制造用于电信的近红外波长的紧凑型高性能激光器方面已经取得了很大的进步，但要在可见波长下实现等效性能仍然是一项挑战。一些科学家通过采用半导体材料来产生紧凑的可见光激光器而取得了长足的进步。相比之下，卢西元，NIST的Kartik Srinivasan和他们的同事以及马里兰州大学公园市的大学采用了另一种方法，重点研究了一种名为氮化硅的材料，该材料对光具有明显的非线性响应。
氮化硅等材料具有特殊的性能：如果入射光具有足够高的强度，则出射光的颜色不一定与入射光的颜色匹配。那是因为当非线性光学材料中的束缚电子与高强度入射光相互作用时，电子以不同于入射光的频率或颜色辐射该光。
（这种效果与看到光从镜子反射或透过透镜折射的日常体验形成对比。在这种情况下，光的颜色始终保持不变。）
Lu和他的同事采用了一种称为三阶光学参量振荡（OPO）的方法，其中非线性材料将近红外的入射光转换为两个不同的频率。其中一个频率高于入射光的频率，将其置于可见范围内，另一个频率较低，从而更深地延伸至红外光中。尽管研究人员多年来一直在使用OPO技术在大型台式光学仪器中产生不同颜色的光，但由NIST领导的新研究是第一个将这种效果应用于在微芯片上产生特定可见光波长的技术，这种潜在潜力是大量生产。
为了使OPO方法最小化，研究人员将近红外激光引导到微谐振器中，该微谐振器是面积小于百万分之一平方米的环形装置，并在硅芯片上制造。微谐振器内部的光在消散之前会循环约5,000次，从而建立足够高的强度以进入非线性状态，在该状态下它将转换为两个不同的输出频率。
为了创建多种可见和红外色，该团队在每个微芯片上制造了数十个微谐振器，每个谐振器的尺寸略有不同。研究人员仔细选择了这些尺寸，以使不同的微谐振器产生不同颜色的输出光。研究小组表明，这种策略可以使单个近红外激光产生的波长变化相对较小，从而产生各种特定的可见光和红外颜色。
尤其是，尽管输入激光器在近红外波长（从780纳米到790 nm）的狭窄范围内工作，但微芯片系统产生的可见光颜色范围从绿色到红色（560 nm到760 nm）以及红外波长范围从800 nm到1,200 nm
Srinivasan说：“我们方法的好处是，只要调整微谐振器的尺寸，就可以访问这些波长中的任何一个。”
卢说：“尽管是首次演示，但我们很高兴将这种非线性光学技术与成熟的近红外激光技术相结合，创造出可用于多种应用的新型片上光源。”
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