信息來源于：互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)布于：2024-06-18
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近日，哈佛大學約翰·保爾森工程和應用科學學院的一支科學團隊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，這樣的激光被認為是無法生成的。這一發(fā)現(xiàn)可用于新一代光譜學和傳感設備。
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)射多個頻率，間隔均勻，類似梳子的齒。如今，它們被廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、化學傳感、光通信、高精度計量和計時等各個領(lǐng)域。
該團隊由Federico Capasso領(lǐng)導，一直致力于令這些設備變得更高效、小巧，用于通訊和便攜式傳感等應用。2019年，該團隊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)造了第一個激光無線電發(fā)射器。實驗中，研究人員采用半導體量子級聯(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，這些設備仍然會發(fā)出很多在無線電通信應用中沒有用到的光。
論文的第一作者Marco 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)射多個頻率，間隔均勻，類似梳子的齒。如今，它們被廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、化學傳感、光通信、高精度計量和計時等各個領(lǐng)域。
該團隊由Federico Capasso領(lǐng)導，一直致力于令這些設備變得更高效、小巧，用于通訊和便攜式傳感等應用。2019年，該團隊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)造了第一個激光無線電發(fā)射器。實驗中，研究人員采用半導體量子級聯(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，這些設備仍然會發(fā)出很多在無線電通信應用中沒有用到的光。
論文的第一作者Marco 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：哈佛大學約翰·保爾森工程和應用科學學院
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)生頻率梳時存在一個重大問題：繞著完美圓周運動的光束只能沿順時針或逆時針方向傳播，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)進行比較。
但是當研究人員進行實驗時，結(jié)果讓每個人都大吃一驚。之前的物理理論認為完美的環(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：“當我們看到這個的時候，我們覺得這對我們來說很好，因為這正是我們要尋找的光，只是我們沒有期望在這個實驗中找到它。這一成功似乎與當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，他們在試驗中最終遇到了湍流。在流體中，當有序的流體流動分裂成越來越小的漩渦時，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激光的基本定律。”
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，增加了系統(tǒng)的規(guī)模和復雜性。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。
這項研究發(fā)表在《自然》雜志上。
