In onderzoek blijkt soms het hobbelige pad de beste te zijn. Door kleine, periodieke hobbels te creëren in een miniatuurracebaan voor licht, hebben onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en hun collega's van het Joint Quantum Institute (JQI), een onderzoekspartnerschap tussen de Universiteit van Maryland en NIST, nabij-infrarood (NIR) laserlicht in specifieke gewenste golflengten van zichtbaar licht met hoge nauwkeurigheid en efficiëntie.

De techniek heeft potentiële toepassingen in de precisietijdwaarneming en de kwantuminformatiewetenschap, waarvoor zeer specifieke golflengten van zichtbaar laserlicht nodig zijn, wat niet altijd kan worden bereikt met diodelasers (apparaten die lijken op LED-lampen) om atomaire of solid-state systemen aan te sturen.

Idealiter zouden de golflengten moeten worden gegenereerd in een compact apparaat, zoals een fotonische chip, zodat kwantumsensoren en optische atoomklokken buiten het laboratorium kunnen worden ingezet, en niet langer gebonden zijn aan omvangrijke optische apparatuur.

In eerdere experimenten gebruikten NIST-onderzoeker Kartik Srinivasan en zijn collega's perfect gladde microresonatoren – ringvormige apparaten met een diameter van ongeveer een kwart van de dikte van een mensenhaar – om een ​​enkele golflengte van NIR-licht om te zetten in twee andere golflengten.

De resonator, klein genoeg om op een microchip te passen, kan zo worden ontworpen dat een van de twee uitgangsgolflengten binnen het spectrum van zichtbaar licht valt. De transformatie vindt plaats wanneer het NIR-laserlicht, dat duizenden keren rond de ringvormige resonator cirkelt, een intensiteit bereikt die hoog genoeg is om een ​​sterke interactie aan te gaan met het resonatormateriaal.

In theorie kunnen onderzoekers, door een bepaalde straal, breedte en hoogte van de resonator te kiezen – die de eigenschappen bepalen van het licht dat in de ring kan resoneren – elke regenboog van kleuren selecteren die mogelijk is met de techniek. In de praktijk is de methode, bekend als optische parametrische oscillatie (OPO), echter niet altijd nauwkeurig. Zelfs afwijkingen van enkele nanometers (miljardsten van een meter) van de gespecificeerde afmetingen van de microring produceren kleuren in zichtbaar licht die aanzienlijk verschillen van de gewenste uitgangsgolflengte.

Als gevolg hiervan moesten onderzoekers maar liefst 100 van de siliciumnitride-microringen fabriceren om er zeker van te zijn dat ten minste enkele de juiste afmetingen zouden hebben om de doelgolflengte te genereren. Maar zelfs die moeizame maatregel garandeert geen succes.

Nu hebben Srinivasan en zijn medewerkers, onder leiding van Jordan Stone van JQI, aangetoond dat ze door het introduceren van imperfecties (kleine, periodieke ribbels of bobbels) langs het oppervlak van een microresonator een specifieke uitgangsgolflengte van zichtbaar licht kunnen selecteren met een nauwkeurigheid van 99,7. %. Met verbeteringen, zegt Stone, zou de techniek golflengten van zichtbaar licht moeten produceren die nauwkeurig zijn tot beter dan 99,9% van hun doelwaarden, een vereiste voor het aandrijven van optische atoomklokken en andere uiterst nauwkeurige apparaten.

De onderzoekers beschrijven hun werk in Nature Photonics .

"In onze eerdere experimenten hebben we het algemene bereik van een golflengte van interesse bereikt, maar voor veel toepassingen is dat niet goed genoeg. Je moet de golflengte echt met een hoge mate van nauwkeurigheid vastleggen", zegt Stone. "Deze nauwkeurigheid bereiken we nu door een periodieke opstelling van ribbels op een microringresonator op te nemen."

Het principe dat de optische transformatie regelt van een input met een enkele golflengte in twee outputs met verschillende golflengten is de wet van behoud van energie:de energie die wordt gedragen door twee van de inputfotonen van de nabij-infraroodlaser moet gelijk zijn aan de energie die wordt gedragen door de output fotonen:Eén met een kortere golflengte (hogere energie) en één met een langere golflengte (lagere energie). In dit geval is de kortere golflengte zichtbaar licht.

Bovendien moet elk van de ingangs- en uitgangsgolflengten overeenkomen met een van de resonante golflengten die zijn toegestaan ​​door de afmetingen van de microring, net zoals de lengte van een stemvork de ene specifieke noot bepaalt waarop deze resoneert.

In hun nieuwe onderzoek ontwierpen de onderzoekers een microring waarvan de afmetingen, zonder golvingen, de fotonen niet in staat zouden hebben gesteld om in de ring te resoneren en nieuwe golflengten te produceren, omdat het proces geen energie zou hebben bespaard.

Toen het team de ring echter met kleine, periodieke golvingen vormgaf, waardoor de afmetingen ervan veranderden, kon OPO verder gaan en het NIR-laserlicht transformeren in een specifieke golflengte van zichtbaar licht plus nog een veel langere golflengte. Deze door OPO gegenereerde kleuren kunnen, in tegenstelling tot de kleuren die voorheen door gladde microringen werden gecreëerd, nauwkeurig worden bepaald door de afstand en breedte van de bobbels.

De ribbels werken als kleine spiegels die gezamenlijk het zichtbare licht dat rond de ring raast, reflecteren, maar alleen voor één bepaalde golflengte. De reflecties resulteren in twee identieke golven die in tegengestelde richtingen rond de ring reizen. Binnen de ring interfereren de tegengestelde golven met elkaar en creëren een patroon dat bekend staat als een staande golf:een golfvorm waarvan de pieken op een bepaald punt in de ruimte gefixeerd blijven terwijl de golf trilt, zoals een tokkelende gitaarsnaar.

Dit vertaalt zich in een verschuiving naar een langere of kortere golflengte, afhankelijk van of de staande golf meer interageert met de pieken of dalen van de golven. In beide gevallen wordt de omvang van de verschuiving bepaald door de hoogte van de hobbel. Omdat de hobbels alleen als spiegel fungeren voor een specifieke golflengte van licht, garandeert de aanpak dat wanneer OPO optreedt, de gegenereerde signaalgolf precies de gewenste golflengte heeft.

Door de golflengte van de infraroodlaser die het OPO-proces aanstuurt enigszins te veranderen, kunnen eventuele onvolkomenheden in de golvingen worden gecompenseerd, aldus Stone.

Meer informatie: Jordan R. Stone et al, Golflengte-nauwkeurige niet-lineaire conversie door golfgetalselectiviteit in fotonische kristalresonatoren, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01326-6

Journaalinformatie: Natuurfotonica

Aangeboden door het National Institute of Standards and Technology