I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e dell'Università del Maryland hanno sviluppato una tecnologia a microchip in grado di convertire la luce laser invisibile nel vicino infrarosso in uno qualsiasi di una panoplia di colori laser visibili, compreso il rosso, arancia, giallo e verde. Il loro lavoro fornisce un nuovo approccio alla generazione di luce laser su microchip integrati.

La tecnica ha applicazioni nel cronometraggio di precisione e nella scienza dell'informazione quantistica, che spesso si basano su sistemi atomici o allo stato solido che devono essere guidati con luce laser visibile a lunghezze d'onda precisamente specificate. L'approccio suggerisce che è possibile accedere a un'ampia gamma di tali lunghezze d'onda utilizzando un singolo, piattaforma su piccola scala, invece di richiedere ingombranti, laser da tavolo o una serie di diversi materiali semiconduttori. La costruzione di tali laser su microchip fornisce anche un modo a basso costo per integrare i laser con circuiti ottici in miniatura necessari per orologi ottici e sistemi di comunicazione quantistica.

Lo studio, riportato nel numero del 20 ottobre di ottica , contribuisce a NIST on a Chip, un programma che miniaturizza la tecnologia di misurazione scientifica all'avanguardia del NIST, consentendone la distribuzione diretta agli utenti dell'industria, medicinale, difesa e mondo accademico.

I sistemi atomici che costituiscono il cuore degli orologi sperimentali più precisi e accurati e i nuovi strumenti per la scienza dell'informazione quantistica si basano tipicamente sulla luce laser visibile (ottica) ad alta frequenza per funzionare, al contrario delle microonde a frequenza molto più bassa che vengono utilizzate per impostare l'ora ufficiale in tutto il mondo.

Gli scienziati stanno ora sviluppando tecnologie per sistemi ottici atomici compatti e funzionanti a bassa potenza in modo da poter essere utilizzati al di fuori del laboratorio. Sebbene siano necessari molti elementi diversi per realizzare una tale visione, un ingrediente chiave è l'accesso a sistemi laser a luce visibile che sono piccoli, leggero e funziona a bassa potenza.

Sebbene i ricercatori abbiano compiuto grandi progressi nella creazione di compatte, laser ad alte prestazioni alle lunghezze d'onda del vicino infrarosso utilizzati nelle telecomunicazioni, è stato difficile ottenere prestazioni equivalenti alle lunghezze d'onda visibili. Alcuni scienziati hanno fatto passi da gigante impiegando materiali semiconduttori per generare laser a luce visibile compatti. In contrasto, Xiyuan Lu, Kartik Srinivasan e i loro colleghi del NIST e dell'Università del Maryland a College Park hanno adottato un approccio diverso, concentrandosi su un materiale chiamato nitruro di silicio, che ha una pronunciata risposta non lineare alla luce.

Materiali come il nitruro di silicio hanno una proprietà speciale:se la luce in ingresso ha un'intensità sufficientemente elevata, il colore della luce in uscita non corrisponde necessariamente al colore della luce che è entrata. Questo perché quando gli elettroni legati in un materiale ottico non lineare interagiscono con la luce incidente ad alta intensità, gli elettroni ri-irradiano quella luce a frequenze, o colori, che differiscono da quelli della luce incidente.

(Questo effetto è in contrasto con l'esperienza quotidiana di vedere la luce rimbalzare su uno specchio o rifrangersi attraverso una lente. In questi casi, il colore della luce rimane sempre lo stesso.)

Lu e i suoi colleghi hanno impiegato un processo noto come oscillazione parametrica ottica di terzo ordine (OPO), in cui il materiale non lineare converte la luce incidente nel vicino infrarosso in due diverse frequenze. Una delle frequenze è superiore a quella della luce incidente, posizionandolo nel campo del visibile, e l'altro è più basso in frequenza, estendendosi più in profondità nell'infrarosso. Sebbene i ricercatori abbiano impiegato l'OPO per anni per creare diversi colori di luce in grande, strumenti ottici da tavolo, il nuovo studio condotto dal NIST è il primo ad applicare questo effetto per produrre particolari lunghezze d'onda della luce visibile su un microchip che ha il potenziale per la produzione di massa.

Per miniaturizzare il metodo OPO, i ricercatori hanno diretto la luce laser nel vicino infrarosso in un microrisonatore, un dispositivo a forma di anello di superficie inferiore a un milionesimo di metro quadrato e fabbricato su un chip di silicio. La luce all'interno di questo microrisonatore circola circa 5, 000 volte prima che si dissolva, costruendo un'intensità sufficientemente elevata per accedere al regime non lineare in cui viene convertito nelle due diverse frequenze di uscita.

Per creare una moltitudine di colori visibili e infrarossi, il team ha fabbricato dozzine di microrisonatori, ciascuno con dimensioni leggermente diverse, su ogni microchip. I ricercatori hanno scelto con cura queste dimensioni in modo che i diversi microrisonatori producessero luce in uscita di colori diversi. Il team ha dimostrato che questa strategia ha consentito a un singolo laser nel vicino infrarosso che variava in lunghezza d'onda di una quantità relativamente piccola di generare un'ampia gamma di colori specifici della luce visibile e dell'infrarosso.

In particolare, sebbene il laser in ingresso operi su una gamma ristretta di lunghezze d'onda del vicino infrarosso (da 780 nanometri a 790 nm), il sistema a microchip ha generato colori della luce visibile che vanno dal verde al rosso (da 560 nm a 760 nm) e lunghezze d'onda dell'infrarosso che vanno da 800 nm a 1, 200 nm.

"Il vantaggio del nostro approccio è che è possibile accedere a una qualsiasi di queste lunghezze d'onda semplicemente regolando le dimensioni dei nostri microrisonatori, ", ha detto Srinivasan.

"Sebbene una prima dimostrazione, "Lu ha detto, "siamo entusiasti della possibilità di combinare questa tecnica di ottica non lineare con la consolidata tecnologia laser nel vicino infrarosso per creare nuovi tipi di sorgenti luminose su chip che possono essere utilizzate in una varietà di applicazioni".