美国国家标准与技术研究所（NIST）和马里兰大学的研究人员开发了一种微芯片技术，可以将不可见的近红外激光转换成各种可见激光颜色中的任何一种，包括红色、橙色、黄色和绿色。他们的工作提供了一种在集成微芯片上产生激光的新方法。

这项技术在精密计时和量子信息科学中有着广泛的应用，这些领域通常依赖于原子或固态系统，而这些系统必须用精确指定波长的可见激光驱动。该方法表明，使用一个单一的小规模平台，可以获得大范围的波长，而不需要笨重的桌面激光器或一系列不同的半导体材料。在微芯片上制造这样的激光器也提供了一种低成本的方法，将激光器与光学时钟和量子通信系统所需的微型光学电路集成在一起。

这项研究发表在Optica杂志上，为NIST的芯片上项目做出了贡献，该项目将NIST最先进的测量科学技术小型化，使其能够直接分享给工业、医学、国防和学术界的用户。

原子系统是最精确的实验时钟和量子信息科学新工具的核心，它们通常依赖高频可见光（光学）激光进行操作，而不是用于在全球范围内设定官方时间的低频微波。

科学家们现在正在开发原子光学系统技术，这种技术体积小、功耗低，可以在实验室外使用。虽然实现这一愿景需要许多不同的元素，但其中一个关键因素是能够使用小、轻、低功率运行的可见光激光系统。

尽管研究人员在制造用于通信的近红外波段的紧凑、高性能激光器方面取得了很大进展，但要在可见光波长上获得同等性能，仍然是一个挑战。一些科学家利用半导体材料产生紧凑型可见光激光器，取得了长足的进展。与此相反，NIST和马里兰大学帕克分校的卢西元（Xiyuan Lu）、卡提克·斯里尼瓦桑（Kartik Srinivasan）和他们在马里兰大学公园（University of Maryland Park）的同事采用了不同的方法，重点研究了一种对光有明显非线性响应的氮化硅材料。

像氮化硅这样的材料有一个特殊的特性：如果入射光具有足够高的强度，则出射光的颜色不一定与进入的光的颜色匹配。这是因为当非线性光学材料中的束缚电子与高强度入射光相互作用时，电子以不同于入射光的频率或颜色重新辐射光。

（这种效果与每天看到光线从镜子上反弹或通过镜头折射的体验形成鲜明对比。在这些情况下，灯光的颜色始终保持不变。）

Lu和他的同事们采用了一种被称为三阶光学参量振荡（OPO）的过程，在这个过程中，非线性材料将近红外的入射光转换成两个不同的频率。其中一个频率高于入射光，将其置于可见光范围内，另一个频率较低，延伸至红外深处。尽管研究人员多年来一直利用OPO技术在大型桌面光学仪器中创造不同颜色的光，但由NIST领导的这项新研究首次将这种效应应用于在具有大规模生产潜力的微芯片上产生特定的可见光波长。

为了使OPO方法小型化，研究人员将近红外激光导入一个微谐振器，一种面积不到百万分之一平方米的环形器件，制作在硅芯片上。这个微谐振器中的光在消散前循环了大约5000次，形成了足够高的强度，以进入非线性区域，在那里它被转换成两个不同的输出频率。

为了创造出多种可见光和红外颜色，研究小组在每个微芯片上制造了几十个微谐振器，每个微谐振器的尺寸略有不同。研究人员仔细选择了这些尺寸，这样不同的微谐振器就能产生不同颜色的输出光。研究小组表明，这种策略可以使波长变化相对较小的单一近红外激光器产生大范围的特定可见光和红外颜色。

特别是，尽管输入激光器在近红外波长（从780纳米到790 nm）的狭窄范围内工作，但是微芯片系统可以产生的可见光颜色范围从绿色到红色（560 nm到760 nm）以及红外波长在从800 nm到1,200 nm

斯里尼瓦桑说：“我们的方法的好处是，只要调整微谐振器的尺寸，就可以得到这些波长中的任何一个。”

“尽管这是第一次演示，”卢说，“我们很高兴能将这种非线性光学技术与成熟的近红外激光技术相结合，创造出可用于各种应用的新型片上光源。”

参考文献：Xiyuan Lu et al. On-chip optical parametric oscillation into the visible: generating red, orange, yellow, and green from a near-infrared pump, Optica (2020). DOI: 10.1364/OPTICA.393810。