В современном мире лазеры применяются в самых разных отраслях. Создание микролазеров, генерирующих красный и синий свет, уже давно не является проблемой. Однако уже многие годы научное сообщество пытается достичь зеленого света в микролазерах. Ученые из Национального института стандартов и технологий (США) разработали новое лазерное устройство, способное излучать свет не только зеленого, но и оранжевого и желтого цветов. Из чего состоит устройство, как именно оно работает, и какого может быть его практическое применение? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Компактные видимые лазеры являются большой пользой для очень многих разработок, от лазерного освещения и дисплеев до медицинской диагностики и квантовых технологий. Хотя в области синей и красной длин волн был достигнут прогресс, нехватка эффективных и компактных источников зеленого лазера, также известная как проблема «зеленой зоны» («green gap») (1a), по-прежнему остается. Полупроводниковые лазеры III-V обеспечивают убедительное сочетание эффективности и малого размера, но они требуют ватт входной мощности и часто (особенно на длинах волн «зеленой зоны») не обладают спектральной чистотой, необходимой для приложений с высокой когерентностью. Инжекционная синхронизация диодных лазеров Фабри-Перо с микрорезонаторами высокой точности может улучшить когерентность, но выходные длины волн ограничены доступностью лазеров накачки и до сих пор плавно перестраиваются всего в пределах нескольких ГГц. На 1a показано сравнение различных коммерческих решений проблемы зеленой зоны, расположенные по размеру и диапазону длин волн.
Другой способ получения зеленого лазерного света — через нелинейные оптические процессы. Это стратегия, принятая в большинстве отраслей промышленности, и она предлагает приемлемый путь к масштабируемости через фотонную интеграцию, поскольку малые оптические объемы способствуют эффективному нелинейному взаимодействию (коммерческие приборы, использующие объемные оптические компоненты, обычно имеют размер ≈ 1 м3). Например, нелинейные микрорезонаторы могут генерировать частотные гармоники лазеров накачки ближнего инфракрасного диапазона для получения видимого света, хотя и с ограниченной возможностью настройки длины волны. В качестве альтернативы, широко разделенные оптические параметрические колебания Керра (OPO от optical parametric oscillation) являются потенциально эфективным подходом к генерации видимого света путем четырехволнового смешения (FWM от four-wave mixing), например, из накачки ближнего инфракрасного диапазона.
В последние годы исследовался OPO на основе FWM в оптических микрорезонаторах (авторы исследования называют такие устройства «μOPO»). В этих системах энергия от монохроматического лазера накачки с частотой νp передается в сине-смещенную сигнальную волну (νs) и смещенную в красную сторону холостую волну (νi), как показано на 1a. Видимые μOPO могут работать с пороговыми мощностями на уровне милливатт и показали эффективность преобразования накачки в боковую полосу до 15%. На 1b представлено сравнение рабочих длин волн и спектральных разделений (νs-νi), описанные в нескольких исследованиях μOPO. Важно, что были описаны частоты сигнала в зеленом спектре, но самая высокая частота, описанная до сих пор, составляет ≈ 548,9 ТГц, что на ≈ 14.6 ТГц меньше края зеленой зоны. Кроме того, выходная мощность и длина волны μOPO чувствительны к внешним параметрам, таким как температура, мощность накачки и расстройка резонатора накачки, а также к геометрии микрокольца. Эти чувствительности имеют тенденцию расти пропорционально разделению μOPO (νs-νi) и, следовательно, представляют собой серьезную проблему для μOPO, нацеленных на более полное покрытие зеленой зоны.
В рассматриваемом нами сегодня руде ученые использовали μOPO для доступа ко всей зеленой зоне, достигая наивысшей частоты ≈ 563.51 ТГц, увеличивая доступ к длине волны на ≈ 14.2 нм по сравнению с предыдущим рекордом и повышая надежность в отношении изменений параметров. Используя всего четыре устройства, возможно выборочно генерировать >150 μOPO, каждый с уникальной частотой сигнала зеленой зоны, которая отделена от своего ближайшего соседа примерно на свободный спектральный диапазон микрорезонатора (FSR от free spectral range). Этот прорыв стал возможен благодаря новой конструкции дисперсии, в которой подложка частично вытравлена, так что большая часть микрорезонатора покрыта воздухом.
Продолжение статьи: https://habr.com/ru/companies/ua-hosting/articles/840478/