Nella ricerca, a volte il percorso accidentato si rivela il migliore. Creando piccoli rilievi periodici in una pista in miniatura per la luce, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e i loro colleghi del Joint Quantum Institute (JQI), una partnership di ricerca tra l'Università del Maryland e il NIST, hanno convertito luce laser nel vicino infrarosso (NIR) nelle specifiche lunghezze d'onda desiderate della luce visibile con elevata precisione ed efficienza.
La tecnica ha potenziali applicazioni nel cronometraggio di precisione e nella scienza dell'informazione quantistica, che richiedono lunghezze d'onda altamente specifiche della luce laser visibile che non possono sempre essere ottenute con laser a diodi (dispositivi simili alle luci a LED) per pilotare sistemi atomici o a stato solido.
Idealmente, le lunghezze d'onda dovrebbero essere generate in un dispositivo compatto, come un chip fotonico, in modo che i sensori quantistici e gli orologi atomici ottici possano essere implementati all'esterno del laboratorio, non più vincolati a ingombranti apparecchiature ottiche.
In esperimenti precedenti, il ricercatore del NIST Kartik Srinivasan e i suoi colleghi hanno utilizzato microrisonatori perfettamente lisci, dispositivi a forma di anello con un diametro di circa un quarto dello spessore di un capello umano, per trasformare una singola lunghezza d'onda della luce NIR in altre due lunghezze d'onda.
Il risonatore, sufficientemente piccolo da poter essere inserito in un microchip, può essere progettato in modo che una delle due lunghezze d'onda di uscita rientri nello spettro della luce visibile. La trasformazione avviene quando la luce laser NIR, confinata a circondare migliaia di volte il risonatore a forma di anello, raggiunge intensità sufficientemente elevate da interagire fortemente con il materiale del risonatore.
In teoria, scegliendo un raggio, una larghezza e un'altezza particolari del risonatore, che determinano le proprietà della luce che può risuonare nell'anello, i ricercatori possono selezionarne uno qualsiasi tra un arcobaleno di colori possibili con la tecnica. In pratica, però, il metodo, noto come oscillazione ottica parametrica (OPO), non è sempre preciso. Anche deviazioni piccole come pochi nanometri (miliardesimi di metro) dalle dimensioni specificate del microanello producono colori della luce visibile che differiscono significativamente dalla lunghezza d'onda di uscita desiderata.
Di conseguenza, i ricercatori hanno dovuto fabbricare fino a 100 microanelli di nitruro di silicio per essere sicuri che almeno alcuni avessero le giuste dimensioni per generare la lunghezza d'onda target. Ma anche questa misura laboriosa non garantisce il successo.
Ora, Srinivasan e i suoi collaboratori, guidati da Jordan Stone di JQI, hanno dimostrato che introducendo imperfezioni (piccole ondulazioni periodiche o protuberanze) lungo la superficie di un microrisonatore possono selezionare una specifica lunghezza d'onda di uscita della luce visibile con una precisione di 99,7. %. Con i miglioramenti, ha affermato Stone, la tecnica dovrebbe produrre lunghezze d'onda della luce visibile precise fino a oltre il 99,9% dei valori target, un requisito per alimentare orologi atomici ottici e altri dispositivi ad alta precisione.
I ricercatori descrivono il loro lavoro in Nature Photonics .
"Nei nostri esperimenti precedenti, abbiamo raggiunto l'intervallo generale di una lunghezza d'onda di interesse, ma per molte applicazioni questo non è abbastanza buono. Bisogna davvero fissare la lunghezza d'onda a un alto grado di precisione", ha affermato Stone. "Ora raggiungiamo questa precisione incorporando una disposizione periodica di ondulazioni su un risonatore a microanello."
Il principio che governa la trasformazione ottica di un ingresso a lunghezza d'onda singola in due uscite di lunghezze d'onda diverse è la legge di conservazione dell'energia:l'energia trasportata da due dei fotoni in ingresso dal laser nel vicino infrarosso deve essere uguale all'energia trasportata dall'uscita fotoni:uno con una lunghezza d'onda più corta (energia maggiore) e uno con una lunghezza d'onda più lunga (energia inferiore). In questo caso, la lunghezza d'onda più corta è la luce visibile.
Inoltre, ciascuna delle lunghezze d'onda di ingresso e di uscita deve corrispondere a una delle lunghezze d'onda di risonanza consentite dalle dimensioni del microanello, proprio come la lunghezza di un diapason determina la nota specifica in cui risuona.
Nel loro nuovo studio, i ricercatori hanno progettato un microanello le cui dimensioni, senza ondulazioni, non avrebbero permesso ai fotoni di risuonare nell'anello e produrre nuove lunghezze d'onda perché il processo non avrebbe conservato energia.
Tuttavia, quando il team ha scolpito l’anello con minuscole ondulazioni periodiche, alterandone le dimensioni, ha permesso all’OPO di procedere, trasformando la luce laser NIR in una lunghezza d’onda specifica della luce visibile più un’altra lunghezza d’onda molto più lunga. Questi colori generati dall'OPO, a differenza di quelli precedentemente creati dai microanelli lisci, possono essere controllati con precisione dalla spaziatura e dalla larghezza delle protuberanze.
Le ondulazioni agiscono come minuscoli specchi che riflettono collettivamente avanti e indietro la luce visibile che corre attorno all'anello, ma solo per una particolare lunghezza d'onda. Le riflessioni danno come risultato due onde identiche che viaggiano attorno all'anello in direzioni opposte. All'interno dell'anello, le onde che si contropropagano interferiscono tra loro per creare uno schema noto come onda stazionaria, una forma d'onda i cui picchi rimangono fissi in un punto particolare nello spazio mentre l'onda vibra, come una corda di chitarra pizzicata.
Ciò si traduce in uno spostamento verso una lunghezza d'onda più lunga o più corta, a seconda che l'onda stazionaria interagisca maggiormente con i picchi o gli avvallamenti delle ondulazioni. In entrambi i casi, l’entità dello spostamento è determinata dall’altezza dell’urto. Poiché le protuberanze agiscono solo come uno specchio per una specifica lunghezza d'onda della luce, l'approccio garantisce che quando si verifica l'OPO, l'onda del segnale generato abbia l'esatta lunghezza d'onda desiderata.
Alterando leggermente la lunghezza d'onda del laser a infrarossi che guida il processo OPO, è possibile compensare eventuali imperfezioni nelle ondulazioni, ha affermato Stone.
Ulteriori informazioni: Jordan R. Stone et al, Conversione non lineare accurata della lunghezza d'onda attraverso la selettività del numero d'onda nei risonatori a cristalli fotonici, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01326-6
Informazioni sul giornale: Fotonica della natura
Fornito dal National Institute of Standards and Technology
