Naukowcy od długiego czasu zmagają się z wyzwaniem stworzenia małych, wysokiej jakości laserów emitujących światło w żółtych i zielonych długościach fal. Podczas gdy czerwone i niebieskie lasery są od dawna standardem w przemyśle, technologia zielonych laserów napotykała znaczne przeszkody techniczne. Brak stabilnych i kompaktowych zielonych laserów w widzialnym spektrum światła stał się znany jako "zielona luka". Zamknięcie tej luki mogłoby umożliwić znaczący postęp w różnych dziedzinach technologii, w tym komunikacji podwodnej, leczeniu medycznym, zaawansowanych wyświetlaczach kolorów i zastosowaniach w technologii kwantowej.

W przeciwieństwie do dojrzałych technologii czerwonych i niebieskich laserów, zielone wskaźniki laserowe są dostępne na rynku od 25 lat, ale produkują światło tylko w wąskim zakresie zieleni. Co więcej, lasery te nie są zintegrowane z układami scalonymi, co umożliwiłoby ich wykorzystanie w bardziej złożonych urządzeniach i systemach. W wysiłku pokonania tego wyzwania technicznego, naukowcy z National Institute of Standards and Technology (NIST) osiągnęli ostatnio znaczące postępy. Ich prace nad modyfikacją małej optycznej komponenty, znanej jako pierścieniowy mikrorezonator, doprowadziły do zamknięcia zielonej luki i stworzenia miniaturowego źródła zielonego światła laserowego, które można zintegrować z układem scalonym.

Mikrorezonatory, które są kluczowe w tym przełomie technologicznym, służą do przekształcania światła laserowego w podczerwieni na inne kolory. Proces ten polega na pompowaniu światła podczerwieni do rezonatora, gdzie światło krąży tysiące razy, stając się wystarczająco intensywne, aby wywołać silną interakcję z azotkiem krzemu. Ta interakcja, znana jako oscylacja parametrów optycznych (OPO), generuje dwie nowe długości fal światła, znane jako idler i sygnał.

Podczas wcześniejszych badań naukowcy byli w stanie wyprodukować kilka pojedynczych kolorów widzialnego światła laserowego, ale pełne spektrum kolorów żółtych i zielonych potrzebnych do wypełnienia zielonej luki pozostawało poza zasięgiem. Aby przezwyciężyć ten problem, zespół NIST podjął dwa kluczowe kroki. Po pierwsze, lekko pogrubili mikrorezonator, co umożliwiło wytworzenie światła, które przenika głębiej w zielony zakres, aż do długości fali 532 nanometrów. Drugi krok polegał na usunięciu części warstwy dwutlenku krzemu pod rezonatorem, co zmniejszyło wrażliwość kolorów wyjściowych na wymiary rezonatora i długość fali światła podczerwieni. Te modyfikacje dały naukowcom większą kontrolę nad tworzeniem różnych odcieni zieleni, żółci, pomarańczu i czerwieni.

Wynikiem tej pracy było stworzenie ponad 150 różnych długości fal w zielonej luce, z możliwością precyzyjnego dostosowania każdej z nich. Taka precyzja otwiera drzwi do nowych zastosowań w różnych branżach. Na przykład, zaawansowane wyświetlacze kolorów w systemach projekcyjnych mogłyby znacznie skorzystać z tych nowych laserów, umożliwiając szerszy zakres kolorów z większą precyzją. W medycynie, zielone światło laserowe może być używane w leczeniu takich schorzeń jak retinopatia cukrzycowa, stan prowadzący do nieprawidłowego wzrostu naczyń krwionośnych w oku.

Jednym z najbardziej obiecujących zastosowań tych nowych laserów jest technologia kwantowa. Kompaktowe lasery pokrywające zieloną lukę mogłyby umożliwić znaczne poprawy w zakresie przechowywania i przetwarzania danych w kubitach, podstawowych jednostkach informacji kwantowej. Obecnie technologia komputerów kwantowych i komunikacja opierają się na większych, mniej efektywnych laserach, co ogranicza ich praktyczność poza laboratoriami. Rozwijając te nowe, mniejsze lasery, naukowcy zrobili znaczący krok w kierunku przenośnych i praktycznych systemów komputerowych kwantowych.

Pomimo tych osiągnięć, zespół NIST kontynuuje prace nad poprawą efektywności energetycznej swoich laserów. Aktualna moc wyjściowa tych laserów stanowi tylko niewielki procent mocy wejściowej, co ogranicza ich praktyczne zastosowanie. Poprzez zwiększenie efektywności sprzężenia między laserem wejściowym a falowodem, który kieruje światło do mikrorezonatora, oraz poprawę metod ekstrakcji generowanego światła, naukowcy wierzą, że znacznie poprawią ogólną efektywność tych urządzeń.

Ta innowacja oznacza ciągłą ewolucję technologii cyfrowej i jej wpływ na różne zastosowania, otwierając nowe możliwości dla przyszłych postępów w nauce o laserach i technologii kwantowej. Naukowcy, w tym Jordan Stone i Xiyuan Lu z JQI, oraz Zhimin Shi z Reality Labs Research Meta w Redmond, Waszyngton, opublikowali swoje wyniki 21 sierpnia 2024 roku w czasopiśmie Light: Science and Applications.

Źródło: National Institute of Standards and Technology (NIST)