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。
