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五年前,斯坦福大学博士后学者Momchil Minkov遇到了一个他急不可待解决的难题。他的非线性光学领域的核心是将光从一种颜色转换为另一种颜色的装置——这一过程对于电信、计算和激光设备和科学领域的许多技术都很重要。但是Minkov想要一个同时捕捉两种颜色的光的装置,这是一个杂的壮举,可以极大地提高光转换过程的效率,他希望它是微观的。 

 “当我在瑞士攻读博士学位时,意大利帕维亚大学的达里奥·杰拉斯(Dario Gerace)第一次触到这个问题。当时我试着去做这方面的研究,但很难做到。从那以后,它就一直在我的脑海里。偶尔,我会向我所在领域的某个人提起,他们会说这几乎是不可能的。” 

 为了证几乎不可能仍然是可能的,Minkov和斯坦福大学电气工程教授Shanhui Fan定了用非常规的两部分形式创造晶体结构的指南。他们的解决方案的细节于近日在《光学 Optica》杂志上发表,其中Gerace是合著者。现在,这个团队开始为实验测试构建理论化的结构。

 

上图所示为研究人员设计的插图。为了控和保持两个波长的光,这种微观的平板结构中的孔被安排和调整尺寸。这张图片上的比例尺是2纳米,即20亿分之一米。

限光线的方法 

任何遇到绿色激光指示器的人都能看到非线性光学的作用。在激光指向器内部,一个晶体结构将激光从红外线转换成绿色。(绿色激光对人们来说更容易看到,但只造绿色激光的组件却不那么常见。)这项研究的目的是在更小的空间内实现类似的波长减半转换,由于光束之间的杂相互作用,这可能会导致能源效率的大幅提高。 

该小组的目标是利用光子晶体腔来强迫两束激光共存,光子晶体腔可以将光聚焦在一个微小的体积中。然而,现有的光子晶体空腔通常只局限于一个波长的光,其结构高度定以适应这一波长。 

因此,这些研究人员设计了一种结构,它结合了两种不同的方法来限光,一种是抓住红外线,另一种是抓住绿色,所有这些方法仍然包含在一个微小的晶体中,而不是形成一个统一的结构来完成这一切。 

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Fan说:“对于两种频率,使用不同的方法来控每一种光要比使用一种机容易得多,在某种意义上,这与人们认为为了完成这一壮举他们需要做的完全不同。” 

在整理出它们两部分结构的细节之后,研究人员列出了四个条件,这将指导同事们建立一个能够容纳两种不同波长光的光子晶体腔。它们的结果更像是一个配方而不是示意图,因为光操纵结构对于许多任务和技术都很有用,因此它们的设计必须是灵活的。 

Minkov说:“我们有一个通用的配方,上面说,‘告诉我你的材料是什么,我会告诉你需要遵循的规则,才能得到一个非常小的光子晶体腔,它将光限在两个频率上。’” 

电脑和好奇心 

如果电信信道是一条高速公路,那么在不同波长的光之间翻转就等于快速变换车道以避免减速,而一个容纳多个信道的结构则意味着更快的翻转。非线性光学对量子计算机也很重要,因为这些计算机中的计算依赖于纠缠粒子的产生,而纠缠粒子可以通过在实验室中发生的相反过程形成——从一个绿色的光粒子生成成对的红色光粒子。 

设想他们工作的可能应用有助于这些研究人员选择他们将要研究的内容。但是他们也受到了对一个好挑战的渴望和他们科学中错综杂的奇异性的驱使。 

“基本上,我们使用有孔的平板结构,通过布置这些孔,我们可以控和保持光线,”范说。我们移动并调整这些小孔的大小,使其达到十亿分之一米,这标志着成功和失败之间的区别。这是非常奇怪和无限迷人的。” 

这些研究人员将很快在实验室面对这些杂的问题,因为他们正开始建造用于实验测试的光子晶体腔。 

原文来源:https://phys.org/news/2019-08-light-trapping-color-converting-crystal.html 

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