近日，哈佛大學約翰·保爾森工程和應用科學學院的一支科學團隊利用光的湍流製造了一種特殊類型的高精度雷射，即雷射頻率梳，在以前的系統裡，這樣的雷射被認為是無法生成的。這一發現可用於新一代光譜學和傳感設備。
頻率梳是一種廣泛用於檢測和測量不同頻率光的工具，具有獨特的精度。與傳統的單頻雷射器不同，這種雷射器同步發射多個頻率，間隔均勻，類似梳子的齒。如今，它們被廣泛應用於環境監測、化學傳感、光通信、高精度計量和計時等各個領域。
該團隊由Federico Capasso領導，一直致力於令這些設備變得更高效、小巧，用於通訊和可攜式傳感等應用。2019年，該團隊研究出了如何從雷射頻率梳傳輸無線信號的方法，從而創造了第一個雷射無線電發射器。實驗中，研究人員採用半導體量子級聯雷射器，這種雷射器通過把光從一端反射到另一端來產生頻率梳。這種反射光產生反向傳播的波，這些波相互作用，最後產生不同頻率的梳狀波。然而，這些設備仍然會發出很多在無線電通信應用中沒有用到的光。
論文的第一作者Marco Piccardo表示，研究的主要問題是如何為雷射接收器製造更好的幾何形狀。
圖片來源：哈佛大學約翰·保爾森工程和應用科學學院
後來，研究人員轉而使用環形量子級聯雷射器，由於其圓形形狀，可以產生光損耗非常低的雷射。然而，環形雷射器在產生頻率梳時存在一個重大問題：繞著完美圓周運動的光束只能沿順時針或逆時針方向傳播，因此不能產生形成頻率梳所需的反向傳播的波。為了克服這個問題，研究人員在環中引入了小缺陷，並將結果與一組無缺陷環進行比較。
但是當研究人員進行實驗時，結果讓每個人都大吃一驚。之前的物理理論認為完美的環不可能產生頻率梳，但它卻產生了頻率梳。
論文合著者Benedikt Schwarz說：「當我們看到這個的時候，我們覺得這對我們來說很好，因為這正是我們要尋找的光，只是我們沒有期望在這個實驗中找到它。這一成功似乎與當前的雷射理論相矛盾。」
研究人員試圖去理解這種現象是如何發生的，他們在試驗中最終遇到了湍流。在流體中，當有序的流體流動分裂成越來越小的漩渦時，就會發生湍流，這些漩渦相互作用，直到系統最終陷入混亂。在光線下，這是波動不穩定的形式，其中一個小擾動會變得越來越大，最終支配系統的動力。
研究人員發現，用於泵送雷射的電流的微小波動會導致光波的微小不穩定性，即使在完美的環形雷射器中也是如此。之後各個不穩定性會變得越來越大，然後相互作用，就像在湍流中一樣。這些相互作用最終就會導致穩定頻率梳的產生。
Piccardo說：「我們不僅改變了雷射頻率梳的幾何形狀，而且我們發現了一種全新的系統來製造這些裝置，並在此過程中重塑了一個雷射的基本定律。」
在未來，這些器件可能被用作集成光子電路上的電泵微諧振器。如今的晶片級微諧振器是無源的，這意味著能量需要從外部以光的方式抽運，增加了系統的規模和複雜性。但是環形雷射頻率梳是活躍的，這意味著只需注入電流就能產生光。
這項研究發表在《自然》雜誌上。
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