Na pesquisa, às vezes o caminho acidentado revela-se o melhor. Ao criar pequenas saliências periódicas em uma pista de corrida em miniatura para a luz, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e seus colegas do Joint Quantum Institute (JQI), uma parceria de pesquisa entre a Universidade de Maryland e o NIST, converteram luz laser infravermelha próxima (NIR) em comprimentos de onda específicos desejados de luz visível com alta precisão e eficiência.



A técnica tem aplicações potenciais em cronometragem de precisão e ciência da informação quântica, que requerem comprimentos de onda altamente específicos de luz laser visível que nem sempre podem ser alcançados com lasers de diodo (dispositivos semelhantes a luzes LED) para acionar sistemas atômicos ou de estado sólido.

Idealmente, os comprimentos de onda deveriam ser gerados em um dispositivo compacto, como um chip fotônico, para que sensores quânticos e relógios atômicos ópticos possam ser implantados fora do laboratório, não mais presos a equipamentos ópticos volumosos.

Em experiências anteriores, o investigador do NIST Kartik Srinivasan e os seus colegas usaram microrressonadores perfeitamente lisos – dispositivos em forma de anel com um diâmetro de cerca de um quarto da espessura de um fio de cabelo humano – para transformar um único comprimento de onda da luz NIR em dois outros comprimentos de onda.

O ressonador, pequeno o suficiente para caber em um microchip, pode ser projetado de modo que um dos dois comprimentos de onda de saída caia dentro do espectro da luz visível. A transformação ocorre quando a luz do laser NIR, confinada a circular milhares de vezes o ressonador em forma de anel, atinge intensidades altas o suficiente para interagir fortemente com o material do ressonador.

Em teoria, ao escolher um determinado raio, largura e altura do ressonador – que determinam as propriedades da luz que pode ressoar no anel – os pesquisadores podem selecionar qualquer um entre um arco-íris de cores possíveis com a técnica. Na prática, porém, o método, conhecido como oscilação paramétrica óptica (OPO), nem sempre é preciso. Mesmo desvios tão pequenos quanto alguns nanômetros (bilionésimos de metro) das dimensões especificadas do microanel produzem cores de luz visível que diferem significativamente do comprimento de onda de saída desejado.

Como resultado, os pesquisadores tiveram que fabricar até 100 microanéis de nitreto de silício para ter certeza de que pelo menos alguns teriam as dimensões corretas para gerar o comprimento de onda alvo. Mas mesmo essa medida laboriosa não garante o sucesso.

Agora, Srinivasan e seus colaboradores, liderados por Jordan Stone da JQI, demonstraram que, ao introduzir imperfeições – pequenas ondulações periódicas ou saliências – ao longo da superfície de um microrressonador, eles podem selecionar um comprimento de onda de saída específico de luz visível com uma precisão de 99,7. %. Com melhorias, disse Stone, a técnica deve produzir comprimentos de onda de luz visível com precisão superior a 99,9% de seus valores alvo, um requisito para alimentar relógios atômicos ópticos e outros dispositivos de alta precisão.

Os pesquisadores descrevem seu trabalho na Nature Photonics .

"Em nossos experimentos anteriores, alcançamos a faixa geral de um comprimento de onda de interesse, mas para muitas aplicações isso não é bom o suficiente. Você realmente precisa definir o comprimento de onda com um alto grau de precisão", disse Stone. "Agora alcançamos essa precisão incorporando um arranjo periódico de ondulações em um ressonador de microanel."

O princípio que rege a transformação óptica de uma entrada de comprimento de onda único em duas saídas de comprimentos de onda diferentes é a lei da conservação de energia:a energia transportada por dois dos fótons de entrada do laser infravermelho próximo deve ser igual à energia transportada pela saída fótons:Um com comprimento de onda mais curto (energia mais alta) e outro com comprimento de onda mais longo (energia mais baixa). Neste caso, o comprimento de onda mais curto é a luz visível.

Além disso, cada um dos comprimentos de onda de entrada e saída deve corresponder a um dos comprimentos de onda ressonantes permitidos pelas dimensões do microanel, assim como o comprimento de um diapasão determina a nota específica em que ele ressoa.

Em seu novo estudo, os pesquisadores projetaram um microanel cujas dimensões, sem ondulações, não teriam permitido que os fótons ressoassem no anel e produzissem novos comprimentos de onda porque o processo não teria conservado energia.

No entanto, quando a equipa esculpiu o anel com pequenas ondulações periódicas, alterando as suas dimensões, permitiu ao OPO prosseguir, transformando a luz do laser NIR num comprimento de onda específico de luz visível mais um outro comprimento de onda muito mais longo. Essas cores geradas por OPO, diferentemente daquelas criadas anteriormente por microanéis suaves, podem ser controladas com precisão pelo espaçamento e largura das saliências.

As ondulações agem como pequenos espelhos que refletem coletivamente a luz visível que corre ao redor do anel – mas apenas para um comprimento de onda específico. As reflexões resultam em duas ondas idênticas viajando ao redor do anel em direções opostas. Dentro do anel, as ondas contrapropagantes interferem umas nas outras para criar um padrão conhecido como onda estacionária – uma forma de onda cujos picos permanecem fixos em um determinado ponto do espaço enquanto a onda vibra, como uma corda de guitarra dedilhada.

Isto se traduz em uma mudança para um comprimento de onda mais longo ou mais curto, dependendo se a onda estacionária interage mais com os picos ou vales das ondulações. Em ambos os casos, a magnitude da mudança é determinada pela altura da colisão. Como as saliências atuam apenas como um espelho para um comprimento de onda específico de luz, a abordagem garante que, quando ocorre OPO, a onda de sinal gerada tenha o comprimento de onda exato desejado.

Ao alterar ligeiramente o comprimento de onda do laser infravermelho que impulsiona o processo OPO, quaisquer imperfeições nas ondulações podem ser compensadas, disse Stone.

Mais informações: Jordan R. Stone et al, Conversão não linear com precisão de comprimento de onda por meio da seletividade de número de onda em ressonadores de cristal fotônico, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01326-6
Informações do diário: Fotônica da Natureza

Fornecido pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia