Tạo ra nhiều tia laser lấp khoảng trống xanh có ý nghĩa trong ngành thông tin

Trong nhiều năm, các nhà khoa học đã chế tạo được những tia laser phổ hẹp, chất lượng cao, tạo ra ánh sáng đỏ và xanh lam. Tuy nhiên, phương pháp họ thường sử dụng – truyền dòng điện vào chất bán dẫn – không hiệu quả trong việc chế tạo các tia laser có phổ cực nhỏ phát ra ánh sáng ở bước sóng từ vàng đến xanh lục. Các nhà nghiên cứu gọi sự thiếu hụt các tia laser nhỏ, ổn định trong vùng quang phổ ánh sáng khả kiến ​​này là “khoảng trống xanh”. Việc lấp đầy khoảng trống này sẽ mở ra những cơ hội mới trong lĩnh vực liên lạc dưới nước, điều trị y tế và hơn thế nữa.

Thựa ra. tia laser màu xanh lá cây đã tồn tại được 25 năm, nhưng chúng chỉ tạo ra 1 ít ánh sáng trong dải quang phổ hẹp màu xanh lá cây (so với “khoảng trống xanh”) và không được tích hợp trong chip để chúng có thể hoạt động cùng với các thiết bị khác để thực hiện các tác vụ hữu ích.

Những tiến bộ trong linh kiện quang học

Hiện các nhà khoa học tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) đã thu hẹp “khoảng trống xanh” bằng cách sửa đổi một thành phần quang học cực nhỏ: một bộ cộng hưởng vi mô hình vòng, đủ nhỏ để lắp vào một con chip.

Một nguồn ánh sáng laser xanh lục có phổ cực hẹp có thể cải thiện khả năng liên lạc dưới nước vì nước gần như trong suốt đối với các bước sóng xanh trong hầu hết môi trường nước. Các ứng dụng tiềm năng khác là chế tạo màn hình chiếu laser đủ màu và điều trị bằng laser cho các tình trạng y tế, gồm cả bệnh võng mạc tiểu đường, sự phát triển của mạch máu trong mắt.

Các tia laser trong phạm vi bước sóng này cũng rất quan trọng đối với các ứng dụng trong điện toán và truyền thông lượng tử, vì chúng có khả năng lưu trữ dữ liệu dưới dạng qubit, đơn vị cơ bản của thông tin lượng tử. Hiện tại, các ứng dụng lượng tử này phụ thuộc vào các tia laser có độ phổ rộng lớn, năng lượng cao hơn… hạn chế khả năng triển khai bên ngoài phòng thí nghiệm của chúng.

Trong nhiều năm, một nhóm thuộc NIST và Viện Lượng tử tổng hợp từ Đại học Maryland, đã sử dụng các bộ cộng hưởng vi mô bao gồm silicon nitride để chuyển đổi ánh sáng laser hồng ngoại thành các màu khác. Khi ánh sáng hồng ngoại được bơm vào bộ cộng hưởng hình vòng, ánh sáng sẽ quay tròn hàng nghìn lần cho đến khi đạt cường độ đủ cao để tương tác mạnh với silicon nitride. Sự tương tác đó, được gọi là dao động tham số quang học (OPO), tạo ra hai bước sóng ánh sáng mới.

Tối ưu hóa kỹ thuật sản xuất laser

Trong các nghiên cứu trước đây, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một số màu riêng lẻ của ánh sáng laser nhìn thấy được. Tùy thuộc vào kích thước của bộ cộng hưởng vi mô, bộ phận xác định màu sắc của ánh sáng được tạo ra, các nhà khoa học tạo ra các bước sóng đỏ, cam và vàng cũng như bước sóng 560 nanomet, ngay tại rìa lông giữa ánh sáng vàng và xanh lục. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu không thể tạo ra sự bổ sung đầy đủ của màu vàng và xanh lá cây cần thiết để lấp đầy khoảng trống màu xanh lá cây.

Nhà khoa học Yi Sun của NIST, cộng tác viên trong nghiên cứu mới, cho biết: “Chúng tôi không muốn chỉ tập trung vào một vài bước sóng. Chúng tôi muốn làm chủ toàn bộ phạm vi bước sóng trong khoảng trống.”

Để lấp đầy khoảng trống, nhóm nghiên cứu đã sửa đổi bộ cộng hưởng vi mô theo hai cách. Đầu tiên, các nhà khoa học làm dày nó lên một chút. Bằng cách thay đổi kích thước của nó, các nhà nghiên cứu dễ dàng tạo ra ánh sáng xuyên sâu hơn vào khoảng trống màu xanh lá cây, tới các bước sóng ngắn tới 532 nanomet (một phần tỉ mét). Với phạm vi mở rộng này, các nhà nghiên cứu đã giải quyết được toàn bộ khoảng trống.

Ngoài ra, nhóm nghiên cứu đã cho bộ cộng hưởng vi mô tiếp xúc nhiều không khí hơn bằng cách ăn mòn một số lớp silicon dioxide bên dưới nó. Điều này có tác dụng làm cho màu sắc đầu ra ít nhạy cảm hơn với kích thước vi vòng và bước sóng bơm hồng ngoại. Độ nhạy thấp hơn giúp các nhà nghiên cứu kiểm soát nhiều hơn trong việc tạo ra các bước sóng xanh lục, vàng, cam và đỏ hơi khác nhau từ thiết bị của họ.

Kết quả là, các nhà nghiên cứu nhận thấy họ có thể tạo ra hơn 150 bước sóng riêng biệt xuyên qua “khoảng trống xanh” và tinh chỉnh chúng. Người đứng đầu công trình nghiên cứu Kartik Srinivasan lưu ý: “Trước đây, chúng tôi có thể thực hiện những thay đổi lớn - từ đỏ sang cam, vàng sang xanh lục - trong các màu laser mà chúng tôi có thể tạo ra bằng OPO. Thế nhưng khi ấy, thật khó để thực hiện những điều chỉnh nhỏ trong từng dải màu đó”.

Các nhà khoa học hiện đang nỗ lực nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng để tạo ra thêm các màu laser trong “khoảng trống xanh”. Hiện tại, công suất đầu ra chỉ bằng vài phần trăm công suất đầu vào laser. Sự kết hợp tốt hơn giữa đầu vào laser và ống dẫn sóng truyền ánh sáng vào bộ cộng hưởng vi mô, cùng với các phương pháp trích xuất ánh sáng được tạo ra tốt hơn, có thể cải thiện đáng kể hiệu suất.