Znanstvenici su dugi niz godina suočeni s izazovom stvaranja malih, visokokvalitetnih lasera koji emitiraju svjetlost u žutim i zelenim valnim duljinama. Iako su crveni i plavi laseri već duže vrijeme standard u industriji, tehnologija za zelene lasere nailazila je na značajne tehničke prepreke. Ovaj nedostatak stabilnih i kompaktnih lasera u zelenom dijelu spektra vidljive svjetlosti postao je poznat kao "zeleni jaz". Zatvaranje ovog jaza moglo bi omogućiti značajan napredak u različitim tehnološkim poljima, uključujući podvodnu komunikaciju, medicinske tretmane, napredne prikaze u boji te primjene u kvantnoj tehnologiji.

Za razliku od zrelih tehnologija crvenih i plavih lasera, zeleni laserski pokazivači postoje na tržištu već 25 godina, ali proizvode svjetlost samo u uskom spektru zelene boje. Štoviše, ti laseri nisu integrirani na čipovima, što bi omogućilo njihovo korištenje u složenijim uređajima i sustavima. U naporu da se prevlada ovaj tehnički izazov, znanstvenici s Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) nedavno su postigli veliki napredak. Njihov rad na modifikaciji male optičke komponente, poznate kao prstenasti mikrorezonator, rezultirao je zatvaranjem zelenog jaza i stvaranjem minijaturnog izvora zelene laserske svjetlosti koji se može uklopiti na čip.

Mikrorezonatori, koji su ključni u ovom tehnološkom iskoraku, koriste se za pretvaranje infracrvene laserske svjetlosti u druge boje. Ovaj proces uključuje pumpanje infracrvene svjetlosti u rezonator, gdje svjetlost kruži tisućama puta, postajući dovoljno intenzivna da izazove snažnu interakciju sa silicijevim nitridom. Ova interakcija, poznata kao optička parametarska oscilacija (OPO), generira dvije nove valne duljine svjetlosti, poznate kao idler i signal.

Tijekom prethodnih istraživanja, znanstvenici su uspjeli proizvesti nekoliko pojedinačnih boja vidljive laserske svjetlosti, no puni spektar žutih i zelenih boja, potreban za popunjavanje zelenog jaza, ostao je izvan dosega. Da bi prevladali ovaj problem, tim iz NIST-a poduzeo je dva ključna koraka. Prvo, lagano su podebljali mikrorezonator, što je omogućilo stvaranje svjetlosti koja prodire dublje u zeleni spektar, sve do valne duljine od 532 nanometra. Drugi korak uključivao je uklanjanje dijela sloja silicijeva dioksida ispod rezonatora, čime su smanjili osjetljivost izlaznih boja na dimenzije rezonatora i valnu duljinu infracrvenog svjetla. Ove modifikacije dale su znanstvenicima veću kontrolu nad stvaranjem različitih nijansi zelene, žute, narančaste i crvene svjetlosti.

Rezultat ovog rada bio je stvaranje više od 150 različitih valnih duljina unutar zelenog jaza, s mogućnošću finog podešavanja svake od njih. Takva preciznost otvara vrata novim primjenama u različitim industrijama. Na primjer, napredni prikazi u boji u projekcijskim sustavima mogli bi značajno koristiti ove nove lasere, omogućujući širi raspon boja s većom preciznošću. U medicini, zelena laserska svjetlost može se koristiti u tretmanima poput dijabetičke retinopatije, stanja koje dovodi do abnormalnog rasta krvnih žila u oku.

Jedna od najperspektivnijih primjena ovih novih lasera je u kvantnoj tehnologiji. Kompaktni laseri koji pokrivaju zeleni jaz mogli bi omogućiti znatno unapređenje u sposobnosti pohrane i obrade podataka u kubitima, osnovnim jedinicama kvantne informacije. Trenutno, kvantna računalna tehnologija i komunikacije ovise o većim, manje učinkovitim laserima, što ograničava njihovu praktičnost izvan laboratorija. Razvojem ovih novih, manjih lasera, znanstvenici su napravili značajan korak prema prenosivim i praktičnim kvantnim računalnim sustavima.

Unatoč ovim postignućima, tim iz NIST-a nastavlja raditi na poboljšanju energetske učinkovitosti svojih lasera. Trenutna izlazna snaga ovih lasera čini samo mali postotak ulazne snage, što ograničava njihovu praktičnu primjenu. Povećanjem učinkovitosti spajanja između ulaznog lasera i valovoda koji usmjerava svjetlost u mikrorezonator, kao i poboljšanjem metoda za ekstrakciju generirane svjetlosti, znanstvenici vjeruju da će značajno poboljšati ukupnu učinkovitost ovih uređaja.

Ova inovacija označava kontinuiranu evoluciju digitalne tehnologije i njen utjecaj na različite primjene, otvarajući nove mogućnosti za buduće napretke u znanosti o laserima i kvantnoj tehnologiji. Istraživači, uključujući Jordana Stonea i Xiyuana Lua iz JQI-a, zajedno sa Zhiminom Shijem iz Meta’s Reality Labs Research u Redmondu, Washington, objavili su svoje nalaze 21. kolovoza 2024. u časopisu Light: Science and Applications.

Izvor: National Institute of Standards and Technology (NIST)