En la investigación, a veces el camino lleno de baches resulta ser el mejor. Al crear pequeñas protuberancias periódicas en una pista de carreras en miniatura para la luz, investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y sus colegas del Instituto Cuántico Conjunto (JQI), una asociación de investigación entre la Universidad de Maryland y el NIST, han convertido luz láser de infrarrojo cercano (NIR) en longitudes de onda específicas deseadas de luz visible con alta precisión y eficiencia.

La técnica tiene aplicaciones potenciales en el cronometraje de precisión y la ciencia de la información cuántica, que requieren longitudes de onda altamente específicas de luz láser visible que no siempre se pueden lograr con láseres de diodo (dispositivos similares a luces LED) para impulsar sistemas atómicos o de estado sólido.

Idealmente, las longitudes de onda deberían generarse en un dispositivo compacto, como un chip fotónico, de modo que los sensores cuánticos y los relojes atómicos ópticos puedan implementarse fuera del laboratorio, sin estar atados a equipos ópticos voluminosos.

En experimentos anteriores, el investigador del NIST Kartik Srinivasan y sus colegas utilizaron microresonadores perfectamente lisos (dispositivos en forma de anillo con un diámetro de aproximadamente un cuarto del grosor de un cabello humano) para transformar una sola longitud de onda de luz NIR en otras dos longitudes de onda.

El resonador, lo suficientemente pequeño como para caber en un microchip, puede diseñarse de modo que una de las dos longitudes de onda de salida caiga dentro del espectro de luz visible. La transformación se produce cuando la luz láser NIR, confinada a rodear el resonador en forma de anillo miles de veces, alcanza intensidades lo suficientemente altas como para interactuar fuertemente con el material del resonador.

En teoría, al elegir un radio, ancho y altura particulares del resonador, que determinan las propiedades de la luz que puede resonar en el anillo, los investigadores pueden seleccionar cualquiera entre un arco iris de colores posibles con esta técnica. Sin embargo, en la práctica el método, conocido como oscilación óptica paramétrica (OPO), no siempre es preciso. Incluso desviaciones tan pequeñas como unos pocos nanómetros (billonésimas de metro) de las dimensiones especificadas del microanillo producen colores de luz visible que difieren significativamente de la longitud de onda de salida deseada.

Como resultado, los investigadores han tenido que fabricar hasta 100 microanillos de nitruro de silicio para estar seguros de que al menos algunos tendrían las dimensiones adecuadas para generar la longitud de onda objetivo. Pero ni siquiera esa laboriosa medida garantiza el éxito.

Ahora, Srinivasan y sus colaboradores, dirigidos por Jordan Stone de JQI, han demostrado que al introducir imperfecciones (pequeñas corrugaciones periódicas o protuberancias) a lo largo de la superficie de un microresonador pueden seleccionar una longitud de onda de salida específica de luz visible con una precisión de 99,7. %. Con mejoras, dijo Stone, la técnica debería producir longitudes de onda de luz visible con una precisión superior al 99,9% de sus valores objetivo, un requisito para alimentar relojes atómicos ópticos y otros dispositivos de alta precisión.

Los investigadores describen su trabajo en Nature Photonics .

"En nuestros experimentos anteriores, alcanzamos el rango general de una longitud de onda de interés, pero para muchas aplicaciones eso no es suficiente. Realmente hay que determinar la longitud de onda con un alto grado de precisión", dijo Stone. "Ahora logramos esta precisión incorporando una disposición periódica de corrugaciones en un resonador de microanillo".

El principio que gobierna la transformación óptica de una entrada de una sola longitud de onda en dos salidas de diferentes longitudes de onda es la ley de conservación de la energía:la energía transportada por dos de los fotones de entrada del láser del infrarrojo cercano debe ser igual a la energía transportada por la salida. Fotones:Uno con una longitud de onda más corta (mayor energía) y otro con una longitud de onda más larga (menor energía). En este caso, la longitud de onda más corta es la luz visible.

Además, cada una de las longitudes de onda de entrada y salida debe corresponder a una de las longitudes de onda resonantes permitidas por las dimensiones del microanillo, del mismo modo que la longitud de un diapasón determina la nota específica en la que resuena.

En su nuevo estudio, los investigadores diseñaron un microanillo cuyas dimensiones, sin corrugaciones, no habrían permitido que los fotones resonaran en el anillo y produjeran nuevas longitudes de onda porque el proceso no habría conservado energía.

Sin embargo, cuando el equipo esculpió el anillo con pequeñas corrugaciones periódicas, alterando sus dimensiones, permitió que OPO continuara, transformando la luz láser NIR en una longitud de onda específica de luz visible más otra longitud de onda mucho más larga. Estos colores generados por OPO, a diferencia de los creados anteriormente mediante microanillos lisos, se pueden controlar con precisión mediante el espaciado y el ancho de las protuberancias.

Las corrugaciones actúan como pequeños espejos que reflejan colectivamente hacia adelante y hacia atrás la luz visible que corre alrededor del anillo, pero solo para una longitud de onda particular. Las reflexiones dan como resultado dos ondas idénticas que viajan alrededor del anillo en direcciones opuestas. Dentro del anillo, las ondas que se contrapropagan interfieren entre sí para crear un patrón conocido como onda estacionaria, una forma de onda cuyos picos permanecen fijos en un punto particular del espacio mientras la onda vibra, como una cuerda de guitarra pulsada.

Esto se traduce en un cambio hacia una longitud de onda más larga o más corta, dependiendo de si la onda estacionaria interactúa más con los picos o valles de las corrugaciones. En ambos casos, la magnitud del cambio está determinada por la altura del bache. Debido a que las protuberancias solo actúan como un espejo para una longitud de onda de luz específica, el enfoque garantiza que cuando ocurre OPO, la onda de señal generada tenga exactamente la longitud de onda deseada.

Al alterar ligeramente la longitud de onda del láser infrarrojo que impulsa el proceso OPO, se puede compensar cualquier imperfección en las corrugaciones, afirmó Stone.

Más información: Jordan R. Stone et al, Conversión no lineal con precisión de longitud de onda mediante selectividad del número de onda en resonadores de cristal fotónico, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01326-6

Información de la revista: Fotónica de la naturaleza

Proporcionado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología