芯片内光学参量振荡成可见光：从近红外泵浦生成红、橘黄、黄及绿

江苏激光联盟导读：

来自美国国家标准技术研究院（NIST）和美国马里兰大学的研究者为大家展示了一种可以将可见的近红外激光转换成多种可见光的颜色，使用新引进的微小芯片技术来实现这一转换。这一技术可以产生红色、黄色、绿色的激光，在其他颜色中，在一个集成的微小芯片中来支撑实现这一技术的所必须的基础，以确保精确的计时和量子信息科学的实施。

2020年10月16日，来自美国国家标准技术研究院（NIST）和美国马里兰大学的研究者为大家展示了一种可以将可见的近红外激光转换成多种可见的颜色，使用新引进的微小芯片技术来实现这一转换。这一技术可以产生红色、黄色、绿色的激光，在其他颜色中，在一个集成的微小芯片中来支撑实现这一技术的所必须的基础，以确保精确的计时和量子信息科学的实施。

有些科学与技术上的领域中的原子和/或固态系统依靠可见光范围的激光来精确的和以特定的波长来传输。

来自NIST的研究小组，在Xiyuan Lu 的领导下，使用一种称之为三阶参数振荡 （third-order parametric oscillation (OPO) ）的技术来将在近红外的入射光转换成两个不同的频率。三阶参数振荡 (OPO)需要一个非线性的光学材料来实现光的转换，其中一个形成的频率高于入射光的频率，意味着它的频率位于可见光的范围，而另外一个光的频率则低于入射光的频率，扩展的深度进入红外的波段。

图1 三阶参数振荡 (OPO) 将一个近红外的泵浦转换为可见波长的光

通过三阶参数振荡 (OPO)可以有效的制造出特定的不同颜色的光，从而可以在较大范围内的仪器中得以应用。NIST的研究小组成功的利用一个微小的芯片实现了可见光波长范围内的光的制造，这一装置可以实现批量生产和应用。

研究人员将这一装置进行了微小型的处理，通过直接将近红外的光设置在一个微小的谐振器中，该微小的谐振器 制造在一个Si基的芯片上。一旦谐振器内部，光在耗散前循环5000次的时候，生成一个强度足够大的光来实现达到非线性的范围，此时光就会转换成两种不同频率的光。

在测试这一技术的时候，研究团队制造了好几十个纳米光子微型谐振器，每一个谐振器都具有独特的形状，安装在每一个微小型的芯片上。该技术所采用的策略，就是打算产生出较宽范围的颜色，最终可以促使单一的近红外激光，利用自身产生较宽范围的特定波长的可见光和红外波段的颜色。

输入的泵浦激光在测试的时候，波长不断变化，尽管只通过少量的激光。尽管激光产生了一个较窄范围的红外波长的光，可见光的波长范围为560-760nm（即绿色到红色）。红外波长的光的波长范围为800-1200nm.

图2 纳米光子 谐振器的系列，每一个在形状上稍有不同，从近红外泵浦激光产生不同颜色的可见光

△图解：通过挑战谐振器的尺寸，这一办法可以获得任一波长的光。此外，由于其尺寸小，同桌面激光所要求的相反，这一新技术可以额外的设法回避不同半导体材料的不同要求

图3 三阶参数振荡 (OPO) 所输出的从红色到绿色的光

除了可以在量子通讯领域和计算领域得到应用之外，正如该工作所展示的那样，将激光同光学线路整合在一起得以实现，研究团队评估了在医学和特殊国防中的应用以及在工业制造领域中的应用。目前正在开展的工作在于发展紧凑的原子级别的光学系统技术，并可以以较低的功率进行运行，从而使得该系统的功能可以在实验室外部的环境中也可以得以实现。当紧凑、高性能的近红外波段的激光可以应用于通讯的时候，实现相似或者等同于在可见光波长科学所面临的挑战是一样的。

而克服这一障碍在于使用多种半导体材料来制造激光，NIST和马里兰大学的研究人员将目光聚焦于氮化硅（Si3N4）材料上。这一材料具有对光的非线性反应，使得该光可以满足研究团队部署三阶参数振荡 (OPO) 的要求。当输入光的强度足够大的时候，在系统内的光的颜色将不再必须同进入的光的颜色相匹配，这是因为电子再辐射的相互作用使得颜色中的光不同于入射的光。

对比光从镜子中弹跳回来的效应和折射穿过透镜，光的颜色在此时保持不变。

通过第一次展示，我们非常激动的看到，将这一非线性光学技术同已经成熟的近红外激光技术整合在一起的可能性，从而使得新类型的芯片内的光源可以用用在更加广泛的范围内。

这一工作是NIST的项目“NIST在芯片中”的一部分，其目的在于微小型化NIST现有的测量技术和鼓励他们直接的工业、医疗、国防和学术界的用户中的分配。这一工作发表在 《Optica》上。

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