在研究中，有时坎坷的道路被证明是最好的道路。美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员和马里兰大学与NIST合作的联合量子研究所(JQI)的同事们，通过在微型赛道上制造微小的、周期性的凸起，以高精度和高效率将近红外(NIR)激光转换成特定波长的可见光。

　　这项技术在精密计时和量子信息科学方面有潜在的应用，这需要高度特定波长的可见激光，而二极管激光器(类似于LED灯的设备)驱动原子或固态系统并不总是能实现。

　　理想情况下，波长应该在一个紧凑的设备中产生，比如光子芯片，这样量子传感器和光学原子钟就可以部署在实验室之外，不再束缚在笨重的光学设备上。

　　在之前的实验中，NIST研究员Kartik Srinivasan和他的同事们使用了非常光滑的微谐振器——直径约为人类头发厚度四分之一的环形装置——将一个波长的近红外光转换成另外两个波长。

　　谐振器足够小，可以装在微芯片上，可以设计成两种输出波长中的一种落在可见光的光谱内。当近红外激光被限制在环形谐振器上数千次，达到足够高的强度，与谐振器材料发生强烈的相互作用时，就会发生这种转变。

　　理论上，通过选择谐振器的特定半径、宽度和高度——这决定了能在环中共振的光的特性——研究人员可以用这种技术在彩虹色中选择任何一种颜色。然而，在实践中，这种被称为光学参量振荡(OPO)的方法并不总是精确的。即使与微环的指定尺寸相差几纳米(十亿分之一米)，也会产生与期望输出波长明显不同的可见光颜色。

　　因此，研究人员不得不制造多达100个氮化硅微环，以确保至少有一些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(微小的周期性波纹或凸起)，他们可以选择特定的可见光输出波长，精度达到99.7%。斯通说，随着技术的改进，该技术应该能产生精确到目标值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，我们达到了感兴趣的波长的一般范围，但对于许多应用来说，这还不够好。你必须精确地确定波长，”斯通说。“我们现在通过在微环谐振器上结合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:近红外激光器的两个输入光子所携带的能量必须等于输出光子所携带的能量:一个波长较短(能量较高)，一个波长较长(能量较低)。在这种情况下，波长较短的是可见光。

　　此外，每个输入和输出波长必须对应于微环尺寸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，研究人员设计了一个微环，它的尺寸没有波纹，就不会允许光子在环中共振并产生新的波长，因为这个过程不会守恒能量。

　　然而，当团队用微小的周期性波纹雕刻环，改变其尺寸时，它允许OPO继续进行，将近红外激光转换成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，不同于以前由光滑微环产生的颜色，可以通过凸起的间距和宽度精确控制。

　　这些波纹就像微小的镜子一样，在环周围来回反射可见光，但只反射一种特定的波长。反射的结果是两种相同的波以相反的方向在环上传播。在环内，反向传播的波相互干扰，形成一种称为驻波的模式，这种波形的峰值在波振动时保持固定在空间的特定点上，就像拨弦的吉他弦一样。

　　这转化为向更长或更短波长的移动，这取决于驻波是否更多地与波谷的波峰或波谷相互作用。在这两种情况下，位移的大小是由凸起的高度决定的。由于凸起只充当特定波长光的镜子，因此该方法保证了当OPO发生时，生成的信号波具有所需的确切波长。

　　斯通说，通过稍微改变驱动OPO工艺的红外激光的波长，波纹中的任何缺陷都可以得到补偿。