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物理学家利用激光加工技术在一分钟内形成微型频率梳

  ——近日,美国国家标准技术研究所(NIST)的物理学家发布了一项最新研究成果显示,现在可以在一分钟内生成微型频率梳核心。用传统的精密加工技术,这个过程可能需要数个小时、数天甚至数周。

  NIST研究出来的这一技术是通过激光加工工艺将石英棒加工成形抛光形成一个小而光滑的圆盘,使得光线能够在其中传播。用户可以控制这一光学共振腔(或共振器)的尺寸和形状。其直径范围可以从1/5毫米至8毫米不等,还可以对厚度和曲率进行调整。其品质因数Q(用于衡量光在共振腔内传播而不泄漏的时间长度指标)等于或超过了其他类型的共振腔Q因数。

  完成石英棒的加工后,NIST科学家用一个小型的低功率红外激光器向其中泵浦光。高Q因数的主要优势就是仅需几毫瓦的激光功率即可生成频率梳。生成共振器只需一分钟,下一分钟就可以制作频率梳了。

  NIST的这一技术比传统微型加工工艺简单得多,成本也远远低于后者。用于该工艺的系统成本为1万美元,其中大部分是用于购买切割用的二氧化碳激光器,远低于洁净室必须配备的耗资高达100-1000万美元的精密加工系统。

物理学家利用熔凝石英制备光学微腔

  要制作全尺寸的频率梳,需要使用大功率超快激光器。NIST在制造紧凑型频率梳方面已有多年经验,其通常利用大块融化的石英(极为低廉的玻璃材料)来制作共振腔。

  通过将光限制在狭窄的光学共振腔内,可以增强光密度和交互作用。光梳本身就是光,它最初是由一种颜色或频率组成,通过光学工艺后会转化成一组额外的、边界清晰且等距的频谱渐变。典型的NIST微型梳可能包含300个"梳齿"(或视作直尺上的刻度),每个齿的颜色均有轻微不同。微型梳的一项关键优势在于能够根据需要精调梳齿之间的间距,以用于校准天文仪器等应用。这一间距由共振器的尺寸决定;腔越小,梳齿之间的间距越大。

  NIST接下来将为这一加工技术申请专利,专利内容可能适用于一系列其他玻璃材料。未来NIST会将研究重点放在持续改进频率梳的性能以及如何将共振器用于光频标准和低噪音微波振荡器等其他紧凑型应用。

  美国国防部先进研究项目局以及美国太空总署(NASA)为该研究项目提供支持。(Viki译 Alex校对)

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