在研究中，有时坎坷的道路被证明是最好的。通过在微型光跑道上创建微小的周期性颠簸，美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员及其联合量子研究所(JQI)的同事(马里兰大学和NIST之间的研究合作伙伴)已经将近红外(NIR)激光以高精度和高效率转换为特定所需波长的可见光。

科学家完善小型化技术以产生精确波长的可见激光

该技术在精密计时和量子信息科学方面具有潜在的应用，这些科学需要高度特定波长的可见激光，而用二极管激光器(类似于LED灯的设备)来驱动原子或固态系统并不总是能够实现这一点。

理想情况下，波长应该在紧凑的设备(例如光子芯片)中产生，以便量子传感器和光学原子钟可以部署在实验室外，而不再束缚于笨重的光学设备。

在之前的实验中，NIST研究员KartikSrinivasan和他的同事使用完全光滑的微谐振器(直径约为人类头发厚度四分之一的环形装置)将近红外光的单个波长转换为其他两个波长。

谐振器足够小，可以安装在微芯片上，可以设计成使两个输出波长之一落在可见光光谱内。当近红外激光(被限制在环形谐振器周围数千次)达到足够高的强度以与谐振器材料发生强烈相互作用时，就会发生这种转变。

理论上，通过选择谐振器的特定半径、宽度和高度(这决定了可以在环中谐振的光的属性)，研究人员可以通过该技术从彩虹色中选择任何颜色。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。即使微环指定尺寸的偏差小至几纳米(十亿分之一米)，也会产生与所需输出波长显着不同的可见光颜色。

因此，研究人员必须制造多达100个氮化硅微环，才能确信至少其中一些具有正确的尺寸来产生目标波长。但即使是这种费力的措施也不能保证成功。

现在，Srinivasan和他的合作者(由JQI的JordanStone领导)已经证明，通过沿着微谐振器的表面引入缺陷(微小的周期性波纹或凸起)，他们可以选择可见光的特定输出波长，精度可达99.7%。Stone表示，经过改进，该技术产生的可见光波长的准确度应优于目标值的99.9%，这是为光学原子钟和其他高精度设备供电的要求。

研究人员在《自然光子学》上描述了他们的工作。

“在我们之前的实验中，我们达到了感兴趣的波长的一般范围，但对于许多应用来说还不够好。你确实必须以高精度确定波长，”斯通说。“我们现在通过在微环谐振器上结合周期性的波纹排列来实现这种精度。”

控制单波长输入光学变换为两个不同波长输出的原理是能量守恒定律：来自近红外激光的两个输入光子携带的能量必须等于输出携带的能量光子：一种波长较短(能量较高)，一种波长较长(能量较低)。在这种情况下，较短的波长是可见光。

此外，每个输入和输出波长必须对应于微环尺寸允许的谐振波长之一，就像音叉的长度决定其谐振的一个特定音符一样。

在他们的新研究中，研究人员设计了一个微环，其尺寸如果没有波纹，将不允许光子在环中共振并产生新的波长，因为该过程不具有守恒能量。

然而，当团队在环上雕刻出微小的周期性波纹并改变其尺寸时，OPO就可以继续进行，将近红外激光转换为特定波长的可见光加上另一个更长的波长。与之前由光滑微环创建的颜色不同，这些OPO生成的颜色可以通过凸块的间距和宽度进行精确控制。

这些波纹就像小镜子一样，共同反射围绕环来回传播的可见光，但仅限于一种特定的波长。反射导致两个相同的波以相反的方向绕环传播。在环内，反向传播的波相互干扰，形成一种称为驻波的模式，这种波形在波振动时其峰值保持固定在空间中的特定点，就像拨动的吉他弦一样。

这转化为向更长或更短波长的转变，具体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，移动的幅度都由凸起的高度决定。由于凸块仅充当特定波长光的镜子，因此该方法保证了当OPO发生时，生成的信号波具有确切的所需波长。

Stone说，通过稍微改变驱动OPO工艺的红外激光的波长，可以补偿波纹中的任何缺陷。