信息來(lái)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(duì)利用光的湍流制造了一種特殊類(lèi)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(wú)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(cè)和測(cè)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(lèi)似梳子的齒。如今，它們被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、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(wú)線(xiàn)信號(hào)的方法，從而創(chuàng)造了第一個(gè)激光無(wú)線(xiàn)電發(fā)射器。實(shí)驗(yàn)中，研究人員采用半導(dǎo)體量子級(jí)聯(lián)激光器，這種激光器通過(guò)把光從一端反射到另一端來(lái)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(huì)發(fā)出很多在無(wú)線(xiàn)電通信應(yīng)用中沒(méi)有用到的光。
論文的第一作者M(jìn)arco Piccardo表示，研究的主要問(wèn)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(cè)和測(cè)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(lèi)似梳子的齒。如今，它們被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、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(wú)線(xiàn)信號(hào)的方法，從而創(chuàng)造了第一個(gè)激光無(wú)線(xiàn)電發(fā)射器。實(shí)驗(yàn)中，研究人員采用半導(dǎo)體量子級(jí)聯(lián)激光器，這種激光器通過(guò)把光從一端反射到另一端來(lái)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(huì)發(fā)出很多在無(wú)線(xiàn)電通信應(yīng)用中沒(méi)有用到的光。
論文的第一作者M(jìn)arco Piccardo表示，研究的主要問(wèn)題是如何為激光接收器制造更好的幾何形狀。
圖片來(lái)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(lái)，研究人員轉(zhuǎn)而使用環(huán)形量子級(jí)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(wèn)題：繞著完美圓周運(yùn)動(dòng)的光束只能沿順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较騻鞑?，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(wèn)題，研究人員在環(huán)中引入了小缺陷，并將結(jié)果與一組無(wú)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(shuō)：“當(dāng)我們看到這個(gè)的時(shí)候，我們覺(jué)得這對(duì)我們來(lái)說(shuō)很好，因?yàn)檫@正是我們要尋找的光，只是我們沒(méi)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。”
研究人員試圖去理解這種現(xiàn)象是如何發(fā)生的，他們?cè)谠囼?yàn)中最終遇到了湍流。在流體中，當(dāng)有序的流體流動(dòng)分裂成越來(lái)越小的漩渦時(shí)，就會(huì)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(xiàn)下，這是波動(dòng)不穩(wěn)定的形式，其中一個(gè)小擾動(dòng)會(huì)變得越來(lái)越大，最終支配系統(tǒng)的動(dòng)力。
研究人員發(fā)現(xiàn)，用于泵送激光的電流的微小波動(dòng)會(huì)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(huì)變得越來(lái)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(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定頻率梳的產(chǎn)生。
Piccardo說(shuō)：“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(lái)制造這些裝置，并在此過(guò)程中重塑了一個(gè)激光的基本定律?！?br />
在未來(lái)，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(jí)微諧振器是無(wú)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。
