完美的道路并非总是最佳选择，在科研的道路上有些狗沟沟坎坎是很正常的。美国国家标准与技术研究所（NIST）的研究人员与其合作伙伴——由美国马里兰大学和NIST组成的联合量子研究所（JQI）的同事，通过在微型赛道上为光创造微小的周期性凸起，成功将近红外激光光转化为高精度和高效率的特定可见光波长。
该技术在精密计时和量子信息科学领域具有潜在应用，这些领域需要高度特定的可见光波长，而使用二极管激光器（类似LED灯）驱动原子或固态系统并不能始终实现这些波长。
理想情况下，这些波长应该在一个紧凑的设备（如光子芯片）中生成，这样量子传感器和光学原子钟就可以部署在实验室之外，不再受笨重的光学设备的束缚。
在之前的实验中，NIST大学的研究人员Kartik Srinivasan和他的同事们使用了非常光滑的微谐振器——直径约为人类头发厚度四分之一的环形设备——将单一波长的近红外光转换成另外两种波长。
这个足够小以适应微芯片的共振器可以设计成两个输出波长中的其中一个落在可见光谱范围内。当近红外激光光束被限制在环形共振器内循环数千次，并达到足够高的强度与共振器材料强烈相互作用时，转化就会发生。
理论上，通过选择共振器的特定半径、宽度和高度——这决定了可以在环中共振的光的属性——研究人员可以从该技术可能产生的彩虹颜色中选择任何颜色。然而在实践中，这种被称为光学参量振荡(OPO)的方法并不总是精确的。即使微环的特定尺寸有几纳米(十亿分之一米)的偏差，也会产生与所需输出波长明显不同的可见光颜色。
因此，研究人员不得不制造多达100个硅氮化物微环，以确保至少有一些具有产生目标波长所需尺寸的微环。但即使采取了这种费力的措施，也不能保证成功。
现在，Srinivasan及其由JQI的Jordan Stone领导的合作者们已经证明，通过在微共振器表面引入微小的周期性起伏或凸起，他们可以将特定的可见光波长选择精确度提高到99.7%。Stone表示，通过改进，这种技术应该能够生产出比目标值更准确的可见光波长，准确度超过99.9%，这是推动光学原子钟和其他高精度设备所需的要求。
Stone：“在我们之前的实验中，我们达到了感兴趣波长的大致范围，但对于许多应用而言，这还不够好。你真的必须将波长精确到很高的程度。”他补充说：“我们现在通过在微环共振器上加入周期性的起伏来实现这种精确度。”
将单一波长的输入光转化为两个不同波长的输出光的光学转换原理是能量守恒定律：从近红外激光发出的两个输入光子所携带的能量必须等于输出光所携带的能量，其中一个较短波长（能量较高），另一个较长波长（能量较低）。在这种情况下，较短波长是可见光。
此外，每个输入和输出波长必须对应于由微环尺寸允许的共振波长之一，就像音叉的长度决定了其谐振频率。
在他们的新研究中，研究人员设计了一个微环，如果没有起伏，它的尺寸将不允许光子在环中共振并产生新的波长，因为这个过程将不能保持能量守恒。
然而，当团队使用微小的周期性起伏塑造环的形状，并改变其尺寸时，它允许OPO过程进行，将近红外激光光转化为特定的可见光波长和一个更长的波长。与以前由光滑微环创建的颜色不同，这些由OPO生成的颜色可以通过起伏的间距和宽度精确控制。
这些起伏起到微小镜子的作用，共同反射来回穿梭光环的可见光，但只对特定波长有效。这些反射导致两个相同的波以相反的方向在环中传播。在环内，这两个反向传播的波相互干涉，产生一种被称为驻波的模式，即波形的峰值在空间中的特定位置保持不变，就像弹拨的吉他弦。
这转化为向更长或更短波长的移动，取决于驻波是否更多地与波纹的波峰或波谷相互作用。在这两种情况下，移动的幅度由凸起的高度决定。因为这些突起只对特定波长的光起反射镜的作用，所以这种方法保证了当OPO发生时，产生的信号波具有精确的所需波长。
Stone介绍，通过微调驱动光学参数放大过程的红外激光的波长，可以对波纹中的任何缺陷进行补偿。
资料由美国国家标准与技术研究所提供
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