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无意中发现的“光湍流”,却成了制造高精度激光的秘密武器

来源:科学大观园2020-06-19 我要评论(0 )   

环形激光器。空气缝作为波导中的反射点,诱导了反向传播的波。空气和水都能形成湍流,光也不例外。《自然》杂志6月17日报道,美国哈佛大学工程与应用科学学院(SEAS)研...

环形激光器。

空气缝作为波导中的反射点,诱导了反向传播的波。

空气和水都能形成湍流,光也不例外。

《自然》杂志6月17日报道,美国哈佛大学工程与应用科学学院(SEAS)研究人员Federico Capasso等,利用光湍流创建了一种特定类型的高精度激光(频率梳)。该发现可用于设计新一代光谱学和传感设备。

频率梳被广泛应用于环境监测、化学传感、系外行星搜索和光通信等诸多领域。与传统单频激光器不同,频率梳可同步发射多频率、均匀周期的高精度激光。Capasso团队一直致力于频率梳的研究,希望它能够变得更加高效和灵巧,以适用于便携式通讯、传感设备。

2019年,Capasso团队攻克了以激光频率梳传输无线信号的难题,创造出第一台激光无线电发射器。研究人员使用形状类似Kit Kat巧克力棒的半导体量子级联激光器,制造了端-端反弹光频率梳。反弹光产生反向传播的波,波相互作用产生不同频率的频率梳。

然而,这些设备仍然会发出很多对无线电通信应用无用的光。论文第一作者Marco Piccardo说:“在进行新研究时,我们关注的主要问题是几何形状。”

因此,研究人员将目光转向了环形量子级联激光器。受形状影响,这种激光器的光损耗非常低。

然而,环形激光器产生频率梳时存在一个根本性问题:光只能沿顺时针或逆时针方向传播,无法产生反向传播的波。为了解决这个问题,研究人员决定在环状激光器中引入一个小缺陷。

当研究人员进行实验时,结果让他们大吃一惊。有缺陷的圆环状激光器竟然产生了频率梳,这与之前的理论相悖。维也纳技术大学研究人员Benedikt Schwarz说:“我们在不抱期望的实验中达到了目的。这似乎与目前的激光理论相矛盾。”

研究人员希望对此现象进行解释。最终,“湍流”概念进入了他们的视野——在流体中,有序的流体分裂出越来越小的漩涡,漩涡相互作用并使系统最终陷入混乱时,就会产生湍流。Piccardo等发现,用于泵送激光的电流的微小波动会导致光波出现微弱的不稳定性,即使在“完美”的环形激光器中也是如此。稳定性不断叠加并相互作用,最终导致稳定频率梳的产生。

Piccardo说:“我们不仅改变了激光频率梳的几何形状,还发现了一个全新的系统。在这个过程中,我们重塑了激光的基本定律。”

在未来,这类器件有望用于集成光子电路中的电泵微谐振器。目前使用的芯片级微谐振器是被动式的,能量需要从外部光学泵入,系统规模较大、复杂性较高。而环形激光频率梳是主动式的,可通过注入电流产生自属光。此外,它还能提供微谐振器未覆盖的电磁频谱区域的访问权限。

Capasso说:“我们向着连接被动式谐振器与主动式频率梳迈出了第一步。将两种设备的优势结合在一起,对基础、应用研究有重要意义。”

编译:雷鑫宇 

期刊来源:《自然》

期刊编号:0028-0836

原文链接:https://www.seas.harvard.edu/news/2020/06/order-disorder


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高精度激光环形激光

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