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(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(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、化學(xué)傳感、光通信、高精度計量和計時等各個領(lǐng)域。
該團(tuán)隊由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(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(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、化學(xué)傳感、光通信、高精度計量和計時等各個領(lǐng)域。
該團(tuán)隊由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(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)生頻率梳時存在一個重大問題：繞著完美圓周運(yùn)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(jìn)行比較。
但是當(dāng)研究人員進(jìn)行實驗時，結(jié)果讓每個人都大吃一驚。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(dāng)前的激光理論相矛盾。”
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(dāng)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(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。
這項研究發(fā)表在《自然》雜志上。
