五年前，斯坦福大学博士后学者莫契尔·明科夫(Momchil Minkov)遇到了一个他急于解答的难题。他的非线性光学领域的核心是将光从一种颜色转换成另一种颜色的设备——这一过程对电信、计算机、激光设备和科学领域的许多技术都很重要。但明科夫想要的是一种同时捕捉两种光色的装置，这是一项复杂的壮举，可以极大地提高这种光变化过程的效率——而且他希望它是微观的。
研究人员提出了一种显微结构，可以将激光从红外线转换成绿色，并捕获两种波长的光，以提高转换效率。这种结构可以帮助推进电信和计算技术。(图片来源:Getty Images)
“当我在瑞士攻读博士学位时，意大利帕维亚大学的达里奥·格雷斯首先发现了这个问题。我当时试着去做，但是非常困难。”“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人提起这件事，他们会说这几乎是不可能的。”
为了证明近乎不可能的事情仍然是可能的，明科夫和斯坦福大学电子工程学教授范善辉制定了一套指导方针，以一种非常规的两部分结构创造出一种晶体结构。他们的解决方案的细节于8月6日发表在Optica上，Gerace是合著者。现在，该团队正开始为实验测试构建其理论化的结构。
限制光线的方法
任何遇到绿色激光笔的人都看到过非线性光学的作用。在激光指示器内部，一个晶体结构将激光从红外线转换成绿色。(绿色激光更容易被人们看到，但制造纯绿色激光的部件则不那么常见。)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，由于光束之间的复杂相互作用，这可能会导致能源效率的大幅提高。
研究人员设计的插图。为了控制和保持两种波长的光，这种微观板结构中的孔被排列和调整大小。这幅图上的比例尺是2微米，或者说是百万分之二米。(图片来源:Momchil Minkov)
研究小组的目标是利用光子晶体腔迫使两束激光共存，光子晶体腔可以聚焦微小体积的光。然而，现有的光子晶体腔通常只限制一个波长的光，其结构高度定制，以适应该波长。
因此，这些研究人员设计了一种结构，它结合了两种不同的限制光的方法，一种是抓住红外光，另一种是抓住绿光，这两种方法都包含在一个微小的晶体中，而不是用一个统一的结构来完成所有的工作。
范说:“用不同的方法来控制每一种光比用一种机制控制两种频率要容易得多，而且从某种意义上说，这与人们认为他们需要做什么来完成这一壮举是完全不同的。”
在消除了两部分结构的细节之后，研究人员列出了四种条件，这将指导同事们构建一个能够容纳两种不同波长光的光子晶体腔。他们的研究结果读起来更像是一份食谱，而不是示意图，因为操纵光线的结构对很多任务都很有用，而且为它们设计的技术必须是灵活的。
“我们有一个通用的配方，上面写着，‘告诉我你的材料是什么，i’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，并在两个频率上限制光，’”明科夫说。
电脑和好奇心
如果电信频道是一条高速公路，那么在不同波长的光之间切换就相当于为了避免减速而快速改变车道——一个容纳多个频道的结构意味着更快的切换。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发生在风扇实验室晶体中的相反过程形成——从一个绿色的光粒子产生成对的红色光粒子。
设想他们的工作可能的应用可以帮助这些研究人员选择他们要研究的内容。但他们的动力也来自于对良好挑战的渴望，以及他们科学上错综复杂的陌生感。
“基本上，我们使用带孔的平板结构，通过安排这些孔，我们可以控制和保持光线，”范说。“我们移动并调整这些小孔十亿分之一米的大小，这就是成功和失败的区别。它非常奇怪，而且无穷无尽地迷人。”
这些研究人员很快就会在实验室里面对这些错综复杂的东西，因为他们开始建造光子晶体腔来进行实验测试。
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这项研究由美国空军科学研究办公室、瑞士国家科学基金会和量子技术领域的QuantERA ERA-NET联合基金资助。
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://news.stanford.edu/2019/08/07/light-trapping-color-converting-crystal/