En recherche, le chemin cahoteux s’avère parfois le meilleur. En créant de minuscules bosses périodiques dans une piste de course miniature pour la lumière, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et leurs collègues du Joint Quantum Institute (JQI), un partenariat de recherche entre l'Université du Maryland et le NIST, ont converti lumière laser proche infrarouge (NIR) dans des longueurs d'onde spécifiques souhaitées de lumière visible avec une précision et une efficacité élevées.

La technique a des applications potentielles dans le chronométrage de précision et la science de l'information quantique, qui nécessitent des longueurs d'onde très spécifiques de lumière laser visible qui ne peuvent pas toujours être obtenues avec des lasers à diode (dispositifs similaires aux lumières LED) pour piloter des systèmes atomiques ou à semi-conducteurs.

Idéalement, les longueurs d'onde devraient être générées dans un appareil compact, tel qu'une puce photonique, afin que les capteurs quantiques et les horloges atomiques optiques puissent être déployés à l'extérieur du laboratoire, sans plus être attachés à un équipement optique encombrant.

Lors d'expériences précédentes, Kartik Srinivasan, chercheur au NIST, et ses collègues ont utilisé des microrésonateurs parfaitement lisses (des dispositifs en forme d'anneau d'un diamètre d'environ un quart de l'épaisseur d'un cheveu humain) pour transformer une seule longueur d'onde de lumière NIR en deux autres longueurs d'onde.

Le résonateur, suffisamment petit pour tenir sur une puce électronique, peut être conçu de telle sorte que l’une des deux longueurs d’onde de sortie se situe dans le spectre de la lumière visible. La transformation se produit lorsque la lumière laser NIR, confinée aux milliers de fois autour du résonateur en forme d'anneau, atteint des intensités suffisamment élevées pour interagir fortement avec le matériau du résonateur.

En théorie, en choisissant un rayon, une largeur et une hauteur particuliers du résonateur, qui déterminent les propriétés de la lumière qui peut résonner dans l'anneau, les chercheurs peuvent en sélectionner une parmi un arc-en-ciel de couleurs possibles avec cette technique. En pratique, cependant, la méthode, connue sous le nom d’oscillation paramétrique optique (OPO), n’est pas toujours précise. Même des écarts aussi petits que quelques nanomètres (milliardièmes de mètre) par rapport aux dimensions spécifiées du micro-anneau produisent des couleurs de lumière visible qui diffèrent considérablement de la longueur d'onde de sortie souhaitée.

En conséquence, les chercheurs ont dû fabriquer jusqu’à 100 microanneaux en nitrure de silicium afin d’être sûrs qu’au moins certains auraient les bonnes dimensions pour générer la longueur d’onde cible. Mais même cette mesure laborieuse ne garantit pas le succès.

Maintenant, Srinivasan et ses collaborateurs, dirigés par Jordan Stone de JQI, ont démontré qu'en introduisant des imperfections (minuscules ondulations ou bosses périodiques) le long de la surface d'un microrésonateur, ils peuvent sélectionner une longueur d'onde de sortie spécifique de lumière visible avec une précision de 99,7. %. Avec des améliorations, a déclaré Stone, la technique devrait produire des longueurs d'onde de lumière visible précises à plus de 99,9 % de leurs valeurs cibles, une exigence pour alimenter les horloges atomiques optiques et autres appareils de haute précision.

Les chercheurs décrivent leurs travaux dans Nature Photonics .

"Dans nos expériences précédentes, nous avons atteint la plage générale d'une longueur d'onde intéressante, mais pour de nombreuses applications, cela n'est pas suffisant. Il faut vraiment définir la longueur d'onde avec un haut degré de précision", a déclaré Stone. "Nous obtenons désormais cette précision en incorporant un arrangement périodique d'ondulations sur un résonateur à micro-anneaux."

Le principe qui régit la transformation optique d'une entrée d'une seule longueur d'onde en deux sorties de longueurs d'onde différentes est la loi de conservation de l'énergie :l'énergie transportée par deux des photons d'entrée du laser proche infrarouge doit être égale à l'énergie transportée par la sortie. photons :un avec une longueur d'onde plus courte (énergie plus élevée) et un avec une longueur d'onde plus longue (énergie plus faible). Dans ce cas, la longueur d'onde la plus courte est la lumière visible.

De plus, chacune des longueurs d'onde d'entrée et de sortie doit correspondre à l'une des longueurs d'onde de résonance autorisées par les dimensions du micro-anneau, tout comme la longueur d'un diapason détermine la note spécifique à laquelle il résonne.

Dans leur nouvelle étude, les chercheurs ont conçu un microanneau dont les dimensions, sans ondulations, n'auraient pas permis aux photons de résonner dans l'anneau et de produire de nouvelles longueurs d'onde car le processus n'aurait pas conservé l'énergie.

Cependant, lorsque l’équipe a sculpté l’anneau avec de minuscules ondulations périodiques, modifiant ainsi ses dimensions, elle a permis à l’OPO de procéder, transformant la lumière laser NIR en une longueur d’onde spécifique de lumière visible plus une autre longueur d’onde beaucoup plus longue. Ces couleurs générées par OPO, contrairement à celles précédemment créées par des micro-anneaux lisses, peuvent être contrôlées avec précision par l'espacement et la largeur des bosses.

Les ondulations agissent comme de minuscules miroirs qui réfléchissent collectivement la lumière visible qui circule autour de l’anneau, mais uniquement pour une longueur d’onde particulière. Les réflexions donnent lieu à deux ondes identiques voyageant autour de l’anneau dans des directions opposées. À l'intérieur de l'anneau, les ondes qui se propagent en sens inverse interfèrent les unes avec les autres pour créer un motif connu sous le nom d'onde stationnaire :une forme d'onde dont les pics restent fixes à un point particulier de l'espace lorsque l'onde vibre, comme une corde de guitare pincée.

Cela se traduit par un déplacement vers une longueur d'onde plus ou moins longue, selon que l'onde stationnaire interagit davantage avec les sommets ou les creux des ondulations. Dans les deux cas, l’ampleur du décalage est déterminée par la hauteur de la bosse. Étant donné que les bosses n'agissent que comme un miroir pour une longueur d'onde spécifique de la lumière, l'approche garantit que lorsque l'OPO se produit, l'onde de signal générée a exactement la longueur d'onde souhaitée.

En modifiant légèrement la longueur d'onde du laser infrarouge qui pilote le processus OPO, toutes les imperfections des ondulations peuvent être compensées, a déclaré Stone.

Plus d'informations : Jordan R. Stone et al, Conversion non linéaire précise de la longueur d'onde grâce à la sélectivité du nombre d'onde dans les résonateurs à cristaux photoniques, Nature Photonics (2023). DOI :10.1038/s41566-023-01326-6

Informations sur le journal : Photonique naturelle

Fourni par l'Institut national des normes et de la technologie