制造绿光并不容易。多年来，科学家们已经制造出能发出红光和蓝光的小型高质量激光器。然而，他们通常采用的方法——将电流注入半导体——在制造发射黄光和绿光波长的微型激光器时效果并不好。

研究人员将可见光光谱这一区域内缺乏稳定、微型激光器这一现象称为“绿色空白”。填补这一空白将为水下通信、医疗等带来新的机遇。

绿色激光笔已经存在了25年，但它们只能发出窄光谱的绿光，而且没有集成在芯片中，无法与其他设备协同执行有用的任务。

现在，美国国家标准与技术研究院(NIST)的科学家通过修改一个微小的光学元件缩小了绿色差距：一个环形微谐振器，小到可以装在芯片上。这项研究发表在《光：科学与应用》杂志上。

微型绿色激光光源可以改善水下通信，因为在大多数水生环境中，水对蓝绿波长几乎是透明的。其他潜在应用包括全彩激光投影显示器和医疗状况的激光治疗，包括糖尿病视网膜病变，即眼部血管增生。

这一波长范围内的紧凑型激光器对于量子计算和通信应用也很重要，因为它们有可能将数据存储在量子比特中，量子比特是量子信息的基本单位。目前，这些量子应用依赖于体积、重量和功率较大的激光器，这限制了它们在实验室外部署的能力。

多年来，由NIST和联合量子研究所(JQI，NIST与马里兰大学的研究合作伙伴)的KartikSrinivasan领导的团队一直使用由氮化硅组成的微谐振器将红外激光转换为其他颜色。当红外光被泵入环形谐振器时，光会旋转数千次，直到达到足以与氮化硅强烈相互作用的强度。这种相互作用称为光学参量振荡(OPO)，会产生两种新波长的光，称为闲置光和信号光。

在之前的研究中，研究人员生成了几种不同颜色的可见激光。根据微谐振器的尺寸(决定了生成的光的颜色)，科学家生成了红色、橙色和黄色波长，以及波长为560纳米的光，波长正好位于黄色和绿色光之间的边缘。然而，该团队无法生成填补绿色空白所需的全部黄色和绿色。

“我们不想只擅长探测几种波长，”新研究的合作者、美国国家标准与技术研究院的科学家孙毅(YiSun)表示。“我们希望探测到间隙中的整个波长范围。”

为了填补这一空白，研究小组以两种方式修改了微谐振器。首先，科学家们稍微加厚了它。通过改变其尺寸，研究人员更容易产生能够深入绿色间隙的光，波长短至532纳米(十亿分之一米)。通过扩大范围，研究人员覆盖了整个间隙。

此外，该团队还通过蚀刻掉下方的部分二氧化硅层，将微谐振器暴露在更多空气中。这使得输出颜色对微环尺寸和红外泵浦波长的敏感度降低。较低的灵敏度使研究人员能够更好地控制从他们的设备产生略有不同的绿色、黄色、橙色和红色波长。

传统的微谐振器(顶部)通过OPO产生的波长有限。通过部分蚀刻掉微谐振器下方的二氧化硅薄膜以形成“底切”并使用更厚的氮化硅层(底部)，NIST研究人员能够覆盖整个“绿色间隙”光谱范围，同时还可以提高所产生波长的密度。图片来源：S.Kelley/NIST

结果，研究人员发现他们可以在绿色间隙中创建150多种不同的波长并对其进行微调。“以前，我们可以对使用OPO产生的激光颜色进行大幅度的改变——从红色到橙色到黄色再到绿色——但很难在每个色带内进行细微的调整，”Srinivasan指出。

科学家们目前正在努力提高产生绿隙激光颜色的能量效率。目前，输出功率仅为输入激光功率的百分之几。输入激光和将光引导到微谐振器的波导之间更好的耦合，以及更好的提取产生的光的方法，可以显著提高效率。

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