成为绿色的激光器并不容易。多年来，科学家们成功地制造了紧凑的红光和蓝光激光器，但开发其他颜色的激光器，特别是绿色激光器，一直都很具有挑战性。一个新的研究团队通过开发可以集成到芯片上的微型激光器，发出橙色、黄色和绿色光，解决了这个问题。这一进展为量子传感、通信和信息处理开辟了许多可能性。
制造绿色激光器是一项困难的任务。
长期以来，研究人员已经生产出小型高质量的红光和蓝光激光器。然而，向半导体中注入电流的标准方法对于制造产生黄色和绿色光的小型激光器并不那么有效。这种在绿色光谱中稳定的微型激光器的稀缺性被称为“绿色缺口”。弥补这一缺口为水下通信、医疗治疗等新机会铺平了道路。
虽然绿色激光指示器已经存在25年，但它们发出的绿色光范围有限，缺乏与其他设备在芯片上的集成，因此无法在实际应用中协调工作。
美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员现在通过修改一个小型光学组件——一个足够小以便放置在芯片上的环形微谐振器，解决了绿色缺口的问题。
小型绿色激光光源可以增强水下通信，因为蓝绿色波长在许多海洋环境中能够有效地通过水进行传输。此外，这种激光器在制作全色激光投影显示和治疗各种医疗状况（如糖尿病视网膜病变，涉及眼中血管异常生长）方面也可能是有益的。
此外，在这一波长区域内工作的紧凑激光器对量子计算和通信至关重要，可能使数据能够存储在量子比特中，而量子比特是量子信息的基本单位。目前，现有的量子技术依赖于更大、更重且耗电量大的激光，限制了它们在实验室以外的部署。
多年来，由NIST和联合量子研究所（JQI）的Kartik Srinivasan领导的团队利用氮化硅微谐振器将红外激光光转变为其他颜色。当将红外光导入环形谐振器时，光会循环数千次，直到达到高强度，从而使其与氮化硅的相互作用更加剧烈。这个过程称为光学参量振荡（OPO），生成两个额外波长的光，称为怠速光和信号光。
在早期的研究中，该团队设法产生了极少量的可见激光光颜色。根据微谐振器的大小（它决定了产生的颜色），他们取得了红光、橙光和黄光波长，同时还有一个560纳米的波长，恰好位于黄光与绿光的交界处。然而，完全的黄光和绿光光谱尚未达到，无法完全弥补绿色缺口。
“我们的目标不仅仅是有效地产生几个波长，”NIST科学家、当前项目的合作者Yi Sun说道。“我们旨在覆盖缺口中的整个波长范围。”
为了成功填补这个缺口，研究人员对微谐振器进行了两项修改。他们首先稍微增厚了它。这一改变使得能够产生的光深入绿色缺口，达到了532纳米（十亿分之一米）的波长。凭借这一扩展范围，他们成功地覆盖了整个缺口。
此外，研究小组通过刻蚀其下的二氧化硅，增加了微谐振器接触空气的面积。这一变化减少了输出颜色受微环直径和红外泵波长的影响，使团队对从设备中生成的各种绿色、黄色、橙色和红色波长有了更大的控制能力。
结果，研究人员兴奋地发现，他们可以在绿色缺口中创造出150多种不同的波长，并能够进行精细调整。“在我们之前的工作中，我们可以在大的颜色变化之间切换——从红色到橙色再到黄色再到绿色——但在这些特定颜色带之间进行微调是非常具有挑战性的，”Srinivasan指出。
目前，科学家们专注于提高绿色缺口激光颜色产生的能量效率。目前，输出功率仅是输入激光功率的一小部分。改善输入激光与导向光进入微谐振器的波导的耦合，以及改进生成光的提取方式，都可能导致显著的效率提升。
包括来自JQI的Jordan Stone和Xiyuan Lu以及来自华盛顿州雷德蒙德的Meta Reality Labs Research的Zhimin Shi在内的团队，于8月21日在《光：科学与应用》上分享了他们的发现。
