Ser ecológico no es fácil.
A lo largo de los años, los científicos han construido láseres pequeños y de alta calidad que producen luz roja y azul. Sin embargo, el método que suelen utilizar (aplicar una corriente eléctrica a semiconductores) no ha funcionado tan bien para crear pequeños láseres que emiten luz en longitudes de onda amarillas y verdes. Los investigadores llaman a la falta de láseres pequeños y estables en esta región del espectro de luz visible una “brecha verde”. Cerrar esta brecha abre nuevas oportunidades en comunicaciones submarinas, tratamientos médicos 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 es casi transparente a las longitudes de onda azul-verde en la mayoría de los ambientes acuáticos. 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 aplicaciones en computación y comunicaciones cuánticas, ya que potencialmente pueden almacenar datos en qubits, la unidad básica de información cuántica. Actualmente, estas aplicaciones cuánticas dependen de 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 estado utilizando silicio para convertir la luz láser infrarroja en otros colores y ha utilizado microresonadores basados en nitruro. . Cuando se bombea luz infrarroja al resonador en forma de anillo, la luz oscila miles de veces hasta que alcanza una intensidad lo suficientemente alta como para interactuar fuertemente con el nitruro de silicio. Esa interacción, conocida como oscilación óptica paramétrica (OPO), produce dos nuevas longitudes de onda de luz, llamadas inactiva y señal.
En estudios anteriores, los investigadores crearon algunos colores individuales de luz láser visible. Dependiendo de las dimensiones del microresonador, que determinan los colores de la luz que se producen, los científicos crearon longitudes de onda rojas, naranjas y amarillas, y 560 nanómetros en la línea entre la luz amarilla y verde produjeron una longitud de onda de 560 nanómetros. Sin embargo, el equipo no pudo complementar completamente los colores amarillo y verde necesarios para llenar el vacío verde.
“No queríamos ser buenos alcanzando sólo dos longitudes de onda”, dijo el científico del NIST Yi Sun, coautor del nuevo estudio. “Queríamos acceder a toda la gama de longitudes de onda en el espacio”.
Para llenar este vacío, el equipo modificó el microresonador de dos maneras. Primero, los científicos lo hicieron un poco más grueso. Al cambiar sus dimensiones, los investigadores produjeron más fácilmente luz que penetraba profundamente en el espacio verde, con longitudes de onda de hasta 532 nanómetros (milmillonésimas de metro). Con este rango ampliado, los investigadores cerraron toda la brecha.
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 la amplitud de las microondas y a la longitud de onda de la bomba de infrarrojos. La menor sensibilidad dio a los investigadores más control para generar longitudes de onda verdes, amarillas, naranjas y rojas ligeramente diferentes desde su dispositivo.
Como resultado, los investigadores descubrieron que podían crear y ajustar más de 150 longitudes de onda distintas en espacios verdes. “Anteriormente, podíamos hacer grandes cambios (de rojo a naranja, de amarillo a verde) en los colores del láser que podíamos producir con un OPO, pero era difícil hacer pequeños ajustes en cada una de esas bandas de color”, dijo Siri. Navasan señaló.
Los científicos ahora están trabajando para aumentar la eficiencia energética con la que producen anillos láser greengap. Actualmente, la potencia de salida es sólo un pequeño porcentaje de la potencia del láser de entrada. Un mejor acoplamiento entre el láser de entrada y la guía de ondas que transmite la luz al microresonador, junto con mejores métodos para extraer la luz generada, pueden mejorar significativamente la eficiencia.
Los investigadores, incluidos Jordan Stone y Xiyuan Lu de JQI, junto con Zhimin Shi de Meta’s Reality Labs Research en Redmond, Washington, informaron sus hallazgos en línea el 21 de agosto. Iluminación: ciencia y aplicaciones.
