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高精度激光研究利用湍流光

我们都经历过湍流的空气和水,但是您知道光也可以湍流吗?

哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的国际研究人员团队利用光中的湍流在先前认为的系统中产生了一种特定类型的高精度激光,称为激光频率梳。无法产生这种激光。该发现可用于新一代设备中,例如光谱学和传感技术。

频率梳是用于以独特的精度检测和测量不同频率的光的广泛使用的工具。与发射单个频率的常规激光器不同,这些激光器以锁定步长发射多个频率,它们均匀地间隔以类似于梳子的牙齿。如今,它们已用于从环境监测和化学传感到高精度计量,光通信和定时搜索的所有领域。

由费德里科·卡帕索(Federico Capasso),罗伯特·华莱士(Robert L. Wallace)应用物理教授和文顿·海斯(Vinton Hayes)担任电气工程高级研究员的国际研究人员一直在努力使这些设备更高效,更紧凑,适用于电信和便携式传感等应用。

环形激光的显微镜图像(图片由Capasso Lab /哈佛大学SEAS提供)

在2019年,卡帕索和他的团队找到了如何从激光频率梳中传输无线信号的方法,从而创建了第一个激光无线电发射器。研究人员使用形状像很小的“ Kit Kat”棒的半导体量子级联激光器,该激光器通过从一端到另一端反射光来产生频率梳。这种反射光会产生相互反向传播的波,从而产生不同频率的梳子。但是,这些设备仍然发出很多在无线电通信应用中未使用的光。

SEAS前博士后研究员,已发表论文的第一作者,现任意大利Istituto Italiano di Tecnologia研究人员Marco Piccardo说:“进行这项研究时,我们的主要问题是如何为激光无线电制造更好的几何形状。”米兰。

研究人员转向环形量子级联激光器,由于其环形形状,可以产生光损耗非常低的激光器。但是,环形激光器在产生频率梳时存在一个基本问题:在理想圆中传播的光束只能沿一个方向(顺时针或逆时针)传播,因此不能产生形成一个波场所需的反向传播波。梳。为了克服这个问题,研究人员将小的缺陷引入环中,并将结果与一组无缺陷的环进行比较。

但是当研究人员进行实验时,结果使所有人感到惊讶。

完美的环,以前的物理学理论都说不可能产生频率梳,而是产生频率梳。

“当我们看到这一点时,我们认为这对我们非常有用,因为这正是我们正在寻找的那种光,只是我们没想到在这个特定的实验中会找到它。研究的合著者本尼迪克特·施瓦茨(Benedikt Schwarz)说,这一成功似乎与当前的激光理论相矛盾

电子显微镜图像显示缺陷设计环的细节。空气缝隙在波导中充当反射点,引起反向传播的波。(图片由Capasso Lab /哈佛SEAS提供)

研究人员试图解释这种现象如何发生,并最终遇到湍流。在流体中,当有序的流体流分裂成越来越小的涡旋时,就会发生湍流,而涡旋会相互影响,直到系统最终陷入混乱。鉴于此,采取波不稳定的形式,其中小的干扰变得越来越大,并最终支配了系统的动力学。

研究人员发现,即使在理想的环形激光器中,用于泵浦激光器的电流的微小波动也会导致光波的不稳定。就像在湍流中一样,这些不稳定性不断增长并相互作用。这些相互作用随后导致出现稳定的频率梳。

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来创建这些设备,并以此重铸了激光的基本定律。”

将来,这些设备可用作集成光子电路上的电泵微谐振器。当今的芯片级微谐振器是无源的,这意味着需要从外部以光学方式泵浦能量,从而增加了系统的尺寸和复杂性。但是环形激光器的频率梳是活动的,这意味着仅通过注入电流就可以产生自己的光。它还可以访问微谐振器未覆盖的电磁频谱区域。这在诸如光谱学和化学感测的一系列应用中可能是有用的。

卡帕索说:“这是将无源微谐振器与有源频率梳连接起来的第一步,非常重要的第一步。” “将这两种设备的优势结合在一起可能会产生重要的基础和技术意义。”

这项研究是由德米特里·卡扎科夫(Dmitry Kazakov),马克西米利安·贝瑟(Maximilian Beiser),尼古拉·奥帕卡克(Nikola Opacak),王永瑞,尚塔努·贾(Shantanu Jha),约翰内斯·希尔布兰德(Johannes Hillbrand),米歇尔·塔玛尼农,陈伟庭,亚历山大·Y·朱,洛伦佐·科隆博和阿列克谢·贝扬宁(Alexey Belyanin)合着的。

有关更多信息:www.seas.harvard.edu