نور لیزر طیفی از رنگها را تولید می‌کند
رنگهای مختلف نور مرئی بر روی تراشه
مؤسسه استاندارد و فناوری ملی[1] و محققان دانشگاه مریلند طی یک تحقیق نشان دادند که می‌توان نور لیزر مادون قرمز نامرئی را با استفاده از فناوری جدید ریزتراشه‌ها به چندین رنگ مرئی تبدیل کرد.
تولید نور لیزر مرئی بر روی میکرو تراشه های یکپارچه جنبه مهمی از کاربردهای بالقوه فوتونیک در طیف سنجی و اندازه گیری است.
دستیابی به طیف وسیعی از طول موجها و تجمیع نور تولید شده در یک پلت فرم مدار یکپارچه فوتونیکی چالش برانگیز است، اما دانشمندان مؤسسه استاندارد و فناوری ملی ایالات متحده نشان دادند که نوسان پارامتریک نوری مرتبه سوم[2]، که در آن ویژگیهای نور هنگام حرکت در یک ساختار بلوری جامد تغییر می‌کند، می‌تواند راهی امیدوارکننده برای غلبه بر این چالش باشد.
این تیم به سرپرستی دکتر لو[3] از فرایند نوسان پارامتریک مرتبه سوم برای تبدیل نور فرودی مادون قرمز نزدیک، به دو فرکانس مختلف استفاده کردند. یکی از فرکانس‌های حاصله بالاتر از نور فرودی است، به این معنی که در محدوده مرئی قرار دارد و دیگری دارای فرکانس پایینتری است، یعنی در ناحیه مادون قرمز است.
اگرچه، روش نوسان پارامتریک نوری مرتبه سوم رنگهای مختلف و خاصی از نور را در ابزارهای بزرگ تولید کرده است، اما تحقیقات تحت هدایت موسسه استاندارد با موفقیت از این اثرات برای تولید طولموجهای نور مرئی بر روی ریزتراشه‌ها استفاده کرده است، به‌طوری که این دستگاه‌ها امکان تولید و به‌کارگیری در سطح انبوه را دارند.
حالا، پروژه تازه نشان داده است که چگونه می‌توان از نوسان پارامتریک مرتبه سوم در یک میکرورزوناتور نیترید سیلیکانی برای تولید چندین طول‌موج مرئی از یک منبع مادون قرمز استفاده کرد، اکنون این پروژه در حال گسترش دامنه نور مرئی تولید شده با رویکرد نوسان پارامتریک نوری است. نتایج به‌دست آمده از این روش در نشریه اپتیکا منتشر شده است.
رویکرد جدید نشان می‌دهد که به جای لیزرهای بزرگ رومیزی یا مجموعه‌ای از مواد نیمه‌هادی مختلف، می‌توان با استفاده از یک پلت فرم کوچک، به طیف وسیعی از طول موجها دست یافت. آن‌ها معتقد هستند که ساخت چنین لیزرهایی بر روی ریزتراشه‌ها می‌تواند راهی کم هزینه برای یکپارچه‌سازی لیزرها با مدارهای نوری مینیاتوری مورد نیاز برای ساعتهای نوری و سیستمهای ارتباطی کوانتومی را فراهم کند. همچنین این روش می‌تواند در تحقیقات پزشکی، موارد خاص دفاعی و همچنین در ساختارهای صنعتی نیز به کار گرفته شود.
محققان این پروژه معتقدند کارشان پیشرفت عمده ای در استفاده از نانوفوتونیک غیرخطی برای دستیابی به طول موجهای مطلوب در طیف مرئی به‌شمار می‌رود و ممکن است در آینده در زمینه طیف سنجی، اندازه گیری و علوم کوانتومی کاربردهای زیادی داشته باشد.”
مطالعات انجام شده در مورد ساختارهای نوسان پارامتریک مرتبه سوم مبتنی بر نیترید سیلیکان برای تولید نور مرئی، تا کنون فقط در لبه طولموجهای بلند طیف مرئی به خروجی دست یافته و هنوز مشخص نیست که آیا می‌توان طراحی نوسانگر پارامتریک نوری را طوری تنظیم کرد که به هر طول موج مورد نظر دیگری نیز دست یابد یا خیر؟
نوع جدیدی از منبع نور بر روی تراشه[4]
برای بررسی این روش، ده‌ها میکرورزوناتور نانوفوتونیک که هرکدام دارای هندسهای منحصربه‌فرد هستند، بر روی ریز تراشه‌ها ساخته شد. هدف دانشمندان از این استراتژی این است که طیف وسیعی از رنگها را ایجاد کنند و تا کنون نیز توانستهاند از یک لیزر مادون قرمز نزدیک، طیف گسترده‌ای از رنگهای نور مرئی و مادون قرمز را تولید کنند.
در آزمایشهای انجام شده توسط این تیم، تغییر لیزر ورودی در دامنه باریکی از طول موج های مادون قرمز نزدیک، از 780 تا 790 نانومتر، به سیستم ریزتراشه امکان تولید رنگهای نور مرئی از سبز تا قرمز، در بازه 560 تا 760 نانومتر و همچنین طول موجهای مادون قرمز از 800 تا 1200 نانومتر را می‌دهد.
مزیت کار انجام شده توسط این تیم این است که فقط با تنظیم ابعاد میکرو رزوناتورها، می‌توان به هر طول موجی دست یافت.
این گروه در نظر دارند تا در آینده بتوانند به فرکانس‌های بالاتر، از جمله نور آبی و بنفش، که برای آن‌ها طراحی جدیدی برای نوسانگر پارامتریک نوری مورد نیاز خواهد بود، دست یابند.
این محققان با وجود اینکه در اول راه هستند با انگیزه درصددند از امکان ترکیب این روش نوری غیرخطی با فناوری لیزر مادون قرمز برای ایجاد انواع جدیدی از منابع نوری بر روی تراشه که می‌توانند کاربردهای مختلفی داشته باشند، استفاده نمایند.
Sources: https://optics.org/news/11/10/8
https://www.photonics.com/Articles/On-Chip_Laser_Light_Generates_Spectrum_of_Colors/a66283
https://www.osapublishing.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-7-10-1417&id=441023
[1] National Institute of Standards and Technology: NIST
[2] Optical Parametric Oscillation: OPO
[3] Xiyuan Lu
[4] on-chip