在研究中，有时崎岖不平的道路被证明是最好的道路。美国国家标准与技术研究院的研究人员及其在马里兰大学和NIST之间的研究合作伙伴联合量子研究所的同事通过在微型跑道上创造微小的周期性凸起，将近红外激光转换为特定所需波长的可见光，具有高精度和高效率。
该技术在精密计时和量子信息科学中具有潜在的应用，这需要高度特定波长的可见激光，而二极管激光器并不总是能实现这些激光来驱动原子或固态系统。
理想情况下，波长应该在紧凑的设备中产生，以便量子传感器和光学原子钟可以部署在实验室外，而不再束缚在笨重的光学设备上。
在之前的实验中，NIST研究人员Kartik Srinivasan和他的同事使用完全光滑的微谐振器将单个波长的近红外光转换为其他两个波长。
谐振器足够小，可以安装在微芯片上，可以设计成两个输出波长中的一个落在可见光光谱范围内。当近红外激光达到足够高的强度以与谐振器材料强烈相互作用时，就会发生这种转变。
从理论上讲，通过选择谐振器的特定半径、宽度和高度——这决定了可以在环中共振的光的特性——研究人员可以在该技术可能出现的彩虹色中选择任何一种。然而，在实践中，这种被称为光学参量振荡的方法并不总是精确的。即使与微环的指定尺寸有小到几纳米的偏差，也会产生与所需输出波长有很大差异的可见光颜色。
因此，研究人员不得不制造多达100个氮化硅微环，以便确信至少有一些微环具有合适的尺寸来产生目标波长。但即使是这种费力的措施也不能保证成功。
现在，由JQI的Jordan Stone领导的Srinivasan和他的合作者已经证明，通过在微谐振器表面引入缺陷，他们可以选择特定输出波长的可见光，精度为99.7%。斯通说，随着改进，该技术应该产生精确到目标值99.9%以上的可见光波长，这是为光学原子钟和其他高精度设备供电的要求。
研究人员在《自然光子学》杂志上描述了他们的工作。
“在我们之前的实验中，我们达到了目标波长的一般范围，但对于许多应用来说，这还不够好。你真的必须将波长精确到很高的水平，“斯通说。“我们现在通过在微环谐振器上加入波纹的周期性排列来实现这种精度。”
控制单波长输入到两个不同波长输出的光学转换的原理是能量守恒定律：来自近红外激光的两个输入光子携带的能量必须等于输出光子携带的能量：一个波长较短，另一个波长较长。在这种情况下，较短的波长是可见光。
此外，每个输入和输出波长都必须对应于微环尺寸所允许的谐振波长之一，就像音叉的长度决定了它共振的一个特定音符一样。
在他们的新研究中，研究人员设计了一种微环，其尺寸没有波纹，不会让光子在环中共振并产生新的波长，因为该过程不会守恒能量。
然而，当研究小组用微小的周期性波纹雕刻戒指时，改变了它的尺寸，它允许OPO继续进行，将近红外激光转化为特定波长的可见光加上另一个更长的波长。这些OPO生成的颜色与以前由光滑微环产生的颜色不同，可以通过凸起的间距和宽度来精确控制。
波纹就像一面微小的镜子，它们共同反射可见光在环周围飞驰，但仅限于一个特定的波长。反射导致两个相同的波以相反的方向绕环传播。在环内，反向传播的波相互干扰，形成一种称为驻波的模式——当波振动时，其峰值在空间中的特定点保持固定，就像拨动的吉他弦一样。
这转化为向更长或更短波长的转变，这取决于驻波是否与波纹的波峰或波谷相互作用更多。在这两种情况下，偏移的大小都由凸起的高度决定。由于凸块仅充当特定波长光的镜子，因此该方法可保证当发生OPO时，生成的信号波具有确切的所需波长。
Stone说，通过稍微改变驱动OPO过程的红外激光的波长，波纹中的任何缺陷都可以得到补偿。
