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《NIST科学家完美的小型化技术，以产生精确波长的可见激光》

  • 来源专题：计量基标准与精密测量
  • 编译者： 李晓萌
  • 发布时间：2024-01-24

  • 精密计时和量子信息科学领域需要高度特定波长的可见激光，而二极管激光器（类似于LED灯的装置）并不总是能实现这些激光来驱动原子或固态系统。

    近日，NIST研究人员及其在NIST/马里兰大学联合量子研究所（JQI）的同事通过在微型跑道上创造微小的周期性凸起，将近红外激光转换为特定所需波长的可见光，具有高精度和高效率。研究人员证明，通过在微谐振器表面引入缺陷（微小的周期性波纹或凸起），他们可以选择特定输出波长的可见光，精度为99.7%。随着改进，该技术应该产生精确到目标值99.9%以上的可见光波长，这是为光学原子钟和其他高精度设备供电的要求。

    研究人员在《Nature Photonics》期刊上在线发表了他们的成果（“通过光子晶体谐振器中的波数选择性来实现波长精确的非线性转换”，《Nature Photonics》，2023年. DOI: 10.1038/s41566-023-01326-6）。


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相关报告

  • 《德国科学家研发激光除草系统》
    • 来源专题：农业科技前沿与政策咨询快报
    • 编译者：李楠
    • 发布时间：2017-11-28
    • 为了保证农作物长势良好，提高作物产量，必须有效控制农田里的杂草。由于传统的化学除草剂被认为是有毒化学品，有机农业避免使用除草剂，因此，如果机器人能够自动识别农田中的杂草并用短激光脉冲将其除掉，这对于可持续发展农业而言，可谓一大福音。 在联邦经济与能源部（Federal Ministry for Economic Affairs and Energy）创业基金（EXIST）的支持下，德国波恩大学（the University of Bonn）的胡里奥·帕斯特拉纳博士带领其计算机科学团队开发了一个机器人识别杂草系统：在全地形机器人车或拖拉机上装载照相机，从众多作物中自动识别出杂草，并有针对性地将其去除。这一机器人系统在波恩创意交流会（Bonn Idea Exchange )上获得了最佳创意奖。帕斯特拉纳博士说“机器人用短激光脉冲照射杂草叶片，减弱其活性。如果该系统能够实现商业推广，在未来的农田里就可以不再使用除草剂，从而达到保护环境的目的。” 作为该机器人系统的主要发明人之一，帕斯特拉纳博士曾在在莱布尼茨-汉诺威大学（Leibniz Universität Hannover）攻读博士学位时的研究方向就是用统计模型对杂草进行检测和分类，并和同事合作建立起了机器人的早期模型。目前，帕斯特拉纳博士带领研究团队研究机器人学和图像自动识别（automated image interpretation techniques），这为机器人除草系统的深入研究提供技术保障。 为了促进可持续农业的进一步发展，同时基于该杂草自动识别系统的不断完善，在技术转移专家的指导和帮助下，目前技术创始人正在推进其创业项目——埃斯卡达技术（Escarda Technologies）。激光除草的设想将创新性机器人与可持续发展这一热点问题相结合，使激光技术助力新农业机械的发展，将具有良好的市场前景和竞争力。 （编译 李楠）
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  • 《美国国家标准与技术研究院（NIST）研究团队研发微型新激光器，填补了可见光彩虹中长期存在的“绿色空白”，开辟了新的应用领域》
    • 编译者：张宇
    • 发布时间：2024-10-20
    • 科学家们多年来一直在制造小型的红色和蓝色激光器，但其他颜色的激光器一直是个挑战。研究人员通过创新的方法制造出小到可以安装在芯片上的橙色、黄色和绿色激光器，填补了一项重要的技术空白。在这个波长范围内的低噪声、紧凑型激光器对于量子传感、通信和信息处理有非常重要的作用。 制造绿色激光并不容易。 多年来，科学家们已经制造出能够产生红色和蓝色光的小型、高质量激光器。然而，他们通常采用的方法——向半导体中注入电流——在构建发射黄色和绿色波长光的微型激光器方面效果并不理想。研究人员将可见光谱这一区域中稳定、微型激光器的缺乏称为“绿色空白”。填补这一空白将为水下通信、尖端医疗等领域开辟新的机会。 实际上，绿色激光指示器已经存在了25年，但它们只在非常窄的绿色光谱范围内产生光，并且没有集成在芯片中，所以无法与其他设备集成到一起来执行有用的任务。 现在，美国国家标准与技术研究院（NIST）的科学家们通过修改一个微小的光学元件——一个足够小以至于可以安装在芯片上的环形微共振器——来填补了“绿色空白”。 微型绿色激光光源可以改善水下通信，因为在大多数水环境中，蓝绿色波长的光在水中几乎是透明的。其他潜在的应用包括全色激光投影显示器，以及包括可以治疗一种眼部血管增生的糖尿病视网膜病变的激光治疗医疗设备。 在这个波长范围内的紧凑型激光器对于量子计算和通信的应用也很重要，因为它们有可能将数据存储在量子比特中，量子比特是量子信息的基本单位。目前，这些量子应用依赖于体积更大、重量更重、功率更大的激光器，这限制了它们在实验室外部署的能力。 几年来，由NIST的Kartik Srinivasan和NIST与马里兰大学之间的研究合作伙伴联合量子研究所（JQI）领导的一个团队一直使用由氮化硅组成的环形微共振器将红外激光转换为其他颜色。当红外光被泵入环形共振器时，光会在其中旋转数千次，直到达到足够高的强度，以强烈地与硅氮化物相互作用。这种相互作用，会产生两种新波长的光，被称为闲波和信号波，这一现象叫做光学参量振荡（OPO）。 在之前的研究中，研究人员产生了几种可见激光的单独颜色。根据微共振器的尺寸（它决定了产生的光的颜色），科学家们产生了红色、橙色和黄色波长的光，以及处于黄色和绿色光边缘的560纳米波长的光。然而，团队无法产生填补绿色空白所需的全部黄色和绿色系列。 “我们不想只擅长产生几个波长，”NIST科学家、新研究的合作者Yi Sun表示。“我们想要覆盖空白中的整个波长范围。” 为了填补这一空白，研究团队以两种方式修改了微共振器。首先，科学家们略微加厚了它。通过改变其尺寸，研究人员更容易产生深入绿色空白的光，波长最短可达532纳米（十亿分之一米）。有了这个扩展的范围，研究人员终于覆盖了整个“绿色空白”。 此外，研究团队通过蚀刻掉微共振器下方的一些二氧化硅层，使微共振器暴露在更多的空气中。这样做的效果是使输出的颜色对环形微共振器尺寸和红外泵浦波长的敏感性降低。较低的敏感性给了研究人员更多的控制权，这样就可以在他们的设备上产生略微不同的绿色、黄色、橙色和红色波长。 因此，研究人员发现他们可以在整个绿色空白区域创造出超过150个不同波长的光，并能够对它们进行微调。“以前，我们可以使用OPO在激光颜色中进行大的调整——从红色到橙色到黄色再到绿色——但在每个颜色带内进行小的调整却很困难，” Srinivasan指出。 科学家们目前正在努力提高产生“绿色空白”波长区间的激光颜色的能量效率。目前，输出功率仅为输入激光的几个百分点。改善输入激光与波导之间的耦合，使波导将光更加顺畅地引导到微共振器中，以及进一步改进提取和产生光的方法，便可以显著提高效率。 这些研究人员包括来自JQI的Jordan Stone和Xiyuan Lu，以及来自华盛顿州雷德蒙德市Meta现实实验室研究的Zhimin Shi，他们于8月21日通过线上发表的方式在《Light: Science and Applications》期刊上报告了他们的发现。
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