Ser ecológico no es fácil.
A lo largo de los años, los científicos han desarrollado láseres pequeños y de alta calidad que producen luz roja y azul. Sin embargo, el método que suelen utilizar (inyectar una corriente eléctrica en semiconductores) no funcionó tan bien para fabricar pequeños láseres que emiten luz en longitudes de onda amarillas y verdes. Los investigadores se refieren a la falta de láseres pequeños y estables en esta región del espectro de luz visible como la “brecha verde”. Llenar este vacío abre nuevas oportunidades en comunicación submarina, medicina y más.
Los punteros láser verdes existen desde hace 25 años, pero solo producen luz en un espectro estrecho de verde y no están integrados en chips donde puedan trabajar junto con otros dispositivos para realizar tareas útiles.
Ahora, los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han cerrado la brecha verde modificando un pequeño componente óptico: un microresonador en forma de anillo, lo suficientemente pequeño como para caber en un chip.
Una pequeña fuente de luz láser verde puede mejorar las comunicaciones submarinas porque el agua en la mayoría de los ambientes acuáticos es casi transparente a las longitudes de onda azul-verde. Otras aplicaciones potenciales son las pantallas de proyección láser a todo color y el tratamiento con láser de afecciones médicas, incluida la retinopatía diabética y la dilatación de los vasos sanguíneos del ojo.
Los láseres compactos en este rango de longitud de onda también son importantes para las aplicaciones de comunicaciones y computación cuántica, ya que potencialmente pueden almacenar datos en qubits individuales fundamentales de información cuántica. Actualmente, estas aplicaciones cuánticas se basan en láseres de gran tamaño, peso y potencia, lo que limita su capacidad para implementarse fuera del laboratorio.
Durante varios años, un equipo dirigido por Karthik Srinivasan del NIST y el Joint Quantum Institute (JQI), una asociación de investigación entre el NIST y la Universidad de Maryland, ha utilizado microresonadores hechos de nitruro de silicio para convertir la luz láser infrarroja en otros colores. Cuando se bombea luz infrarroja al resonador en forma de anillo, la luz gira miles de veces hasta alcanzar una altura lo suficientemente alta como para interactuar firmemente con el nitruro de silicio. Esta interacción, conocida como oscilación óptica paramétrica (OPO), produce dos nuevas longitudes de onda de luz, llamadas luz inactiva y señal.
En estudios anteriores, los investigadores produjeron varios colores diferentes de luz láser visible. Dependiendo de las dimensiones del microresonador, que determina el color de la luz, los científicos crearon longitudes de onda rojas, naranjas y amarillas, así como longitudes de onda de 560 nanómetros en la línea entre la luz amarilla y la verde. Sin embargo, el equipo no pudo producir la dotación completa de colores amarillo y verde necesarios para llenar el vacío verde.
“No queríamos ser buenos alcanzando sólo unas pocas longitudes de onda”, dijo el científico del NIST Yi Sun, colaborador del nuevo estudio. “Queríamos acceder a toda la gama de longitudes de onda en la brecha”.
Para llenar este vacío, el equipo modificó el microresonador de dos maneras. Primero, los científicos lo espesaron un poco. Al cambiar sus dimensiones, los investigadores crearon más fácilmente luz que penetraba profundamente en la brecha verde, con longitudes de onda de hasta 532 nanómetros (milmillonésimas de metro). Con este alcance ampliado, los investigadores han cubierto todo el vacío.
Además, el equipo expuso el microresonador a más aire eliminando parte de la capa de dióxido de silicio que se encontraba debajo. Esto tuvo el efecto de hacer que los colores de salida fueran menos sensibles a las dimensiones del microanillo y a la longitud de onda de la bomba infrarroja. La menor sensibilidad dio a los investigadores más control sobre la creación de longitudes de onda verdes, amarillas, naranjas y rojas ligeramente diferentes desde su dispositivo.
Como resultado, los investigadores descubrieron que podían generar más de 150 longitudes de onda distintas a través de la brecha verde y ajustarlas. “Anteriormente, podíamos hacer grandes cambios (de rojo a naranja, de amarillo a verde) en el color del láser que podíamos hacer con el OPO, pero era difícil hacer pequeños ajustes entre cada una de esas bandas de color”, dijo Srinivasan. anotado.
Los científicos ahora están trabajando para aumentar la eficiencia energética con la que producen el láser de color verde. Actualmente, la potencia de salida es sólo un pequeño porcentaje de la del láser de entrada. Un mejor acoplamiento entre el láser de entrada y la guía de ondas que canaliza la luz hacia el microresonador, junto con mejores métodos para extraer la luz generada, pueden mejorar significativamente el rendimiento.
Los investigadores, incluidos Jordan Stone y Xiyuan Lu de JQI y Zhimin Xi de Meta’s Reality Labs Research en Redmond, Washington, informaron sus hallazgos en línea el 21 de agosto. Iluminación: ciencia y aplicaciones.