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利用光湍流从小型环形激光器产生频率梳

近日,哈佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院的一支科学团队利用光的湍流制造了一种特殊类型的高精度激光,即激光频率梳,在以前的系统里,这样的激光被认为是无法生成的。这一发现可用于新一代光谱学和传感设备。

频率梳是一种广泛用于检测和测量不同频率光的工具,具有独特的精度。与传统的单频激光器不同,这种激光器同步发射多个频率,间隔均匀,类似梳子的齿。如今,它们被广泛应用于环境监测、化学传感、光通信、高精度计量和计时等各个领域。

该团队由Federico Capasso领导,一直致力于令这些设备变得更高效、小巧,用于通讯和便携式传感等应用。2019年,该团队研究出了如何从激光频率梳传输无线信号的方法,从而创造了第一个激光无线电发射器。实验中,研究人员采用半导体量子级联激光器,这种激光器通过把光从一端反射到另一端来产生频率梳。这种反射光产生反向传播的波,这些波相互作用,最后产生不同频率的梳状波。然而,这些设备仍然会发出很多在无线电通信应用中没有用到的光。

论文的第一作者Marco Piccardo表示,研究的主要问题是如何为激光接收器制造更好的几何形状。

利用光湍流从小型环形激光器产生频率梳

图片来源:哈佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院

后来,研究人员转而使用环形量子级联激光器,由于其圆形形状,可以产生光损耗非常低的激光。然而,环形激光器在产生频率梳时存在一个重大问题:绕着完美圆周运动的光束只能沿顺时针或逆时针方向传播,因此不能产生形成频率梳所需的反向传播的波。为了克服这个问题,研究人员在环中引入了小缺陷,并将结果与一组无缺陷环进行比较。

但是当研究人员进行实验时,结果让每个人都大吃一惊。之前的物理理论认为完美的环不可能产生频率梳,但它却产生了频率梳。

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