信息來源于:互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)布于:2024-06-18
東莞盈創(chuàng)激光科技有限公司
近日,哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的一支科學(xué)團(tuán)隊(duì)利用光的湍流制造了一種特殊類型的高精度激光,即激光頻率梳,在以前的系統(tǒng)里,這樣的激光被認(rèn)為是無法生成的。這一發(fā)現(xiàn)可用于新一代光譜學(xué)和傳感設(shè)備。
頻率梳是一種廣泛用于檢測和測量不同頻率光的工具,具有獨(dú)特的精度。與傳統(tǒng)的單頻激光器不同,這種激光器同步發(fā)射多個(gè)頻率,間隔均勻,類似梳子的齒。如今,它們被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、化學(xué)傳感、光通信、高精度計(jì)量和計(jì)時(shí)等各個(gè)領(lǐng)域。
該團(tuán)隊(duì)由Federico Capasso領(lǐng)導(dǎo),一直致力于令這些設(shè)備變得更高效、小巧,用于通訊和便攜式傳感等應(yīng)用。2019年,該團(tuán)隊(duì)研究出了如何從激光頻率梳傳輸無線信號的方法,從而創(chuàng)造了第一個(gè)激光無線電發(fā)射器。實(shí)驗(yàn)中,研究人員采用半導(dǎo)體量子級聯(lián)激光器,這種激光器通過把光從一端反射到另一端來產(chǎn)生頻率梳。這種反射光產(chǎn)生反向傳播的波,這些波相互作用,最后產(chǎn)生不同頻率的梳狀波。然而,這些設(shè)備仍然會發(fā)出很多在無線電通信應(yīng)用中沒有用到的光。
論文的第一作者M(jìn)arco Piccardo表示,研究的主要問題是如何為激光接收器制造更好的幾何形狀。
頻率梳是一種廣泛用于檢測和測量不同頻率光的工具,具有獨(dú)特的精度。與傳統(tǒng)的單頻激光器不同,這種激光器同步發(fā)射多個(gè)頻率,間隔均勻,類似梳子的齒。如今,它們被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、化學(xué)傳感、光通信、高精度計(jì)量和計(jì)時(shí)等各個(gè)領(lǐng)域。
該團(tuán)隊(duì)由Federico Capasso領(lǐng)導(dǎo),一直致力于令這些設(shè)備變得更高效、小巧,用于通訊和便攜式傳感等應(yīng)用。2019年,該團(tuán)隊(duì)研究出了如何從激光頻率梳傳輸無線信號的方法,從而創(chuàng)造了第一個(gè)激光無線電發(fā)射器。實(shí)驗(yàn)中,研究人員采用半導(dǎo)體量子級聯(lián)激光器,這種激光器通過把光從一端反射到另一端來產(chǎn)生頻率梳。這種反射光產(chǎn)生反向傳播的波,這些波相互作用,最后產(chǎn)生不同頻率的梳狀波。然而,這些設(shè)備仍然會發(fā)出很多在無線電通信應(yīng)用中沒有用到的光。
論文的第一作者M(jìn)arco Piccardo表示,研究的主要問題是如何為激光接收器制造更好的幾何形狀。
圖片來源:哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院
后來,研究人員轉(zhuǎn)而使用環(huán)形量子級聯(lián)激光器,由于其圓形形狀,可以產(chǎn)生光損耗非常低的激光。然而,環(huán)形激光器在產(chǎn)生頻率梳時(shí)存在一個(gè)重大問題:繞著完美圓周運(yùn)動的光束只能沿順時(shí)針或逆時(shí)針方向傳播,因此不能產(chǎn)生形成頻率梳所需的反向傳播的波。為了克服這個(gè)問題,研究人員在環(huán)中引入了小缺陷,并將結(jié)果與一組無缺陷環(huán)進(jìn)行比較。
但是當(dāng)研究人員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),結(jié)果讓每個(gè)人都大吃一驚。之前的物理理論認(rèn)為完美的環(huán)不可能產(chǎn)生頻率梳,但它卻產(chǎn)生了頻率梳。論文合著者Benedikt Schwarz說:“當(dāng)我們看到這個(gè)的時(shí)候,我們覺得這對我們來說很好,因?yàn)檫@正是我們要尋找的光,只是我們沒有期望在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中找到它。這一成功似乎與當(dāng)前的激光理論相矛盾?!?/span>
研究人員試圖去理解這種現(xiàn)象是如何發(fā)生的,他們在試驗(yàn)中最終遇到了湍流。在流體中,當(dāng)有序的流體流動分裂成越來越小的漩渦時(shí),就會發(fā)生湍流,這些漩渦相互作用,直到系統(tǒng)最終陷入混亂。在光線下,這是波動不穩(wěn)定的形式,其中一個(gè)小擾動會變得越來越大,最終支配系統(tǒng)的動力。
研究人員發(fā)現(xiàn),用于泵送激光的電流的微小波動會導(dǎo)致光波的微小不穩(wěn)定性,即使在完美的環(huán)形激光器中也是如此。之后各個(gè)不穩(wěn)定性會變得越來越大,然后相互作用,就像在湍流中一樣。這些相互作用最終就會導(dǎo)致穩(wěn)定頻率梳的產(chǎn)生。
Piccardo說:“我們不僅改變了激光頻率梳的幾何形狀,而且我們發(fā)現(xiàn)了一種全新的系統(tǒng)來制造這些裝置,并在此過程中重塑了一個(gè)激光的基本定律?!?br />
在未來,這些器件可能被用作集成光子電路上的電泵微諧振器。如今的芯片級微諧振器是無源的,這意味著能量需要從外部以光的方式抽運(yùn),增加了系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜性。但是環(huán)形激光頻率梳是活躍的,這意味著只需注入電流就能產(chǎn)生光。
這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然》雜志上。