苏黎世联邦理工学院 红光在纳米晶体制成的微小球体中通过倍频转化为蓝光
信用:苏黎世联邦理工学院/约兰达穆勒 从显微镜到通过光纤传输数据，一直到现代量子技术，光在科学和工业中发挥着重要作用
特别是改变光的颜色——以及频率和波长——的方法在现代应用中非常重要
这些方法需要使用非线性晶体
例如，在这种晶体中，两个特定频率的光子可以被转换成一个两倍于该频率的光子——比如说，两个红色的光子转换成一个蓝色的光子
然而，要做到这一点，光通常必须以特定的方向和特定的偏振照射到晶体上
这种所谓的相位匹配经常严重限制实际应用
由瑞士联邦理工学院量子电子研究所的雷切尔·格兰奇教授领导的一个研究小组，与材料系的卢西奥·伊萨小组一起，现在已经开发出一种方法，通过这种方法可以在没有这种微调的情况下获得有效的倍频，并且与传统方法相比，这种方法还具有其他优势
看似不可调和的方法 研究人员的食谱可以大致概括如下:与其说大不如说小，不如说乱七八糟
这听起来很神秘，但格兰奇的团队给自己设定的任务也是一个同样大的谜:“为了更好、更广泛地应用倍频，我们想把两种并不真正适合的方法结合起来，”罗莫洛·萨沃说，他在玛丽-斯科多夫斯卡-居里奖学金的框架内作为博士后领导了这个项目
在第一种方法中，不是使用单个大晶体，而是使用许多小晶体的组合，这些小晶体的单个晶轴指向随机的方向
这样，不再需要严格控制入射光束的方向
在许多微型晶体中，有些取向有利，有些取向不利，但总的来说，它们总是会产生大量的倍频光
“这听起来违反直觉，”萨沃承认，“我们的一些同事真的对以这种方式使用无序的想法感到困惑——但它是有效的！” 第二种方法是基于共振的增强作用
例如，如果微型晶体组件是球形的，其直径大致等于光的波长，则球体内部的强度通过光波从球体壁的重复反射而成倍增加，因此也产生了倍频光
因此，为了同时最佳地利用这两种效应，研究人员希望将无序的晶体粉末塑造成微米级的球体，以便利用光的共振增强
他们打算用于此目的的单个钛酸钡晶体必须非常小，只有大约50纳米大小，这样它们就足够透明，允许光多次穿过它们，从而在微球中产生共振
喝咖啡休息时的小费 萨沃说:“所以，我们有了这个伟大的想法，但是对于如何将许多微小的纳米晶体变成完美的微球却没有任何线索。”
“然后，有一天，我们在喝咖啡休息的时候遇到了卢西奥·伊萨，并告诉他我们的问题——他就在那里给我们出了一个主意
“伊莎的建议是将纳米晶体粉末溶解在水中，将溶液与油混合，最后用力摇晃所有东西——类似于用醋和油制成的调味汁
在这一过程产生的乳状液中，会形成水晶体溶液的微小气泡，水从气泡中通过油逐渐蒸发
最终，无序纳米晶体的微小、完美形状的球体依然存在，这正是格兰奇和她的合作者所追求的
“从这个提示开始，与伊萨团队的合作就开始了，”格兰奇说，“顺便说一句，这种事先没有计划的自发合作通常是最有成效的
当然，我们立即尝试了伊萨的食谱
" 多功能性加上材料节省 食谱奏效了——甚至比人们想象的还要好
“由无序纳米晶体构成的微小球体的倍频工作与入射光的方向无关，并且频率范围很广
这使得它比传统晶体的倍频更加通用，”萨沃解释说
除此之外，研究人员用少70%的材料获得了同样的倍频光
与普通晶体相反，普通晶体的光产停止增长超过一定的尺寸，它继续随着微球的体积而增加
来自粉末的高质量激光晶体 格兰奇和她的同事们现在想进一步改进他们的方法，例如在微球和放置它们的载玻片之间添加一个间隔物
这将使光损失最小化
研究人员也开始考虑可能的应用
从简单廉价的纳米晶体粉末生产高性能非线性晶体的前景对于激光技术来说是非常有趣的
此外，有可能将微球体散布在大面积上
这可能导致一种新型显示器的产生，这种显示器通过倍频将红外范围内的图像直接转换成可见光图像
这样的显示器可以用于安全和生命科学应用的照相机
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