雷射技術重大突破:用光湍流產生頻率梳

2020-11-27 環球創新智慧

導讀

據美國哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院官網和奧地利維也納技術大學官網近日報導,來自奧地利、美國、義大利的國際科研團隊利用光湍流創造出一種特殊類型的高精度雷射器(雷射頻率梳)。該發現可用於設計新一代光譜學和傳感設備。

背景

大多數的雷射器只能發射一種顏色的雷射,也就是說,雷射器發出所有光子的波長相同。

(圖片來源:維基百科)

然而,一種被稱為「頻率梳」的雷射器卻能發出更複雜的光線。頻率梳是一種特殊的雷射源,其頻譜由一系列離散的等間距頻率線組成。在頻域上,光學頻率梳表現為具有相等頻率間隔的光學頻率序列。這些頻譜線的分布特性如同我們日常生活中使用的梳子,梳齒之間保持著相等的距離。

維也納技術大學開發的頻率梳創造出了一系列均勻間隔的頻率光譜(圖片來源:維也納技術大學)

頻率梳是一種以獨特的精度檢測和測量不同頻率光線的工具。不同於傳統的單頻雷射器,這種雷射器同步發射多個頻率,間隔均勻。如今,頻率梳已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。

通過多個頻道大規模並行傳輸數據的光孤子頻率梳(圖片來源: J. N. Kemal/ P. Marin-Palomo/ KIT)

創新

近日,來自奧地利(維也納技術大學)、美國(哈佛大學和耶魯大學)、義大利(義大利理工學院、都靈理工大學)的國際科研團隊,在哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院(SEAS)教授費德裡科·卡帕索(Federico Capasso)領導下,利用光湍流創造出一種特殊類型的高精度雷射器(雷射頻率梳)。該發現可用於設計新一代光譜學和傳感設備。研究成果於近期發表在科學期刊《自然(Nature)》上。

量子級聯雷射器創造出一種非常特殊的光線。(圖片來源:Second Bay Studios/Harvard SEAS)

技術

卡帕索團隊一直致力於頻率梳的研究,希望它能夠變得更高效、更緊湊,以適用於通訊與可攜式傳感設備。2019年,該團隊研究出了如何用雷射頻率梳傳輸無線信號的方法,創造出了首個雷射無線電發射器。

該器件使用頻率梳雷射器來無線發射和調製微波。雷射器將不同頻率的光線混合到一起生成微波輻射。雷射器發出的這些「節拍」讓人回憶起西班牙藝術家胡安·米羅(Joan Miro')的一幅名為「Bleu II」的畫(右)。研究人員利用這個現象將一首歌曲無線傳輸至一個接收器。(圖片來源:Marco Piccardo/Harvard SEAS)

實驗中,研究人員採用了半導體量子級聯雷射器(形狀就像小巧克力威化餅乾「KitKat」),通過將光線從一端反射到另一端來產生頻率梳。這種反射光產生交叉傳播的波,這些波相互作用以生成內含多個梳齒狀頻率的波。然而,這些器件仍然會發出許多在無線電通信應用中沒用著的光。

量子級聯雷射器中生成的光學頻率梳。(圖片來源:Jared Sisler/Havard SEAS)

論文的第一作者馬可·皮卡多(Marco Piccardo)表示:「這項研究的主要問題就是,我們如何為雷射無線電信號製造更好的幾何形狀。」

後來,研究人員轉而使用環形量子級聯雷射器,由於它的形狀是環形的,所以能夠生成光學損耗非常低的雷射。

環形雷射器的顯微圖像(圖片來源:Capasso Lab/Harvard SEAS)

然而,環形雷射器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交叉傳播的波。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對比。

電子顯微鏡圖像顯示出具有缺陷設計的環的細節。空氣狹縫在波導中充當反射點,引發交叉傳播的波。(圖片來源:Capasso Lab/Harvard SEAS)

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。

維也納技術大學的研究員、論文合著者貝內迪克特·施瓦茨(Benedikt Schwarz)表示:「我們看到這個時,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。這一成功似乎違背了當前的雷射理論。」

研究人員試圖去解釋這種現象是如何發生的。最終,他們在試驗中偶然發現了湍流。在流體中,當有序的流體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。湍流是一種出現在許多不同領域的現象,在自然界中很常見,例如蠟燭熄滅時那股盤繞上升的煙霧,洗手池排水孔中迴旋的水流等。

一架飛機機翼頂端產生的渦旋中的湍流(圖片來源:維基百科)

在光中,它表現為波動不穩定的形式,其中一個小的擾動會愈演愈烈,最終支配系統的動力學。

梵谷的後期作品,包括《星夜》在內,具有「湍流」的神韻。

研究人員指出,泵送雷射的電流的微小波動,會引起光波輕微的不穩定性,即使在完美的環形雷射器中也是如此。那些不穩定性會越變越大,並且相互作用,就像在湍流中一樣。然後,那些相互作用最終會導致產生穩定的頻率梳。

如同蠟燭的煙霧,雷射可以形成湍流。(圖片來源:Capasso Lab/Harvard SEAS)

皮卡多表示:「我們不僅改變了雷射頻率梳的幾何形狀,而且找到了一種全新的系統來製造這些裝置,並以此重鑄了雷射的基本定律。」

價值

未來,這些器件可能會被用作集成光子電路上的電氣泵浦微諧振器。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進行光泵浦,增加了系統的尺寸以及複雜性。但是環形雷射頻率梳是有源的,這意味著它只需注入電流就能產生自己的光線。它還可以訪問微諧振器未覆蓋的電磁頻譜區域。這在諸如光譜學和化學感測的一系列應用中可能會起到作用。

關鍵詞

雷射器、光子、頻率梳、諧振器

參考資料【1】Marco Piccardo, Benedikt Schwarz, Dmitry Kazakov, Maximilian Beiser, Nikola Opaak, Yongrui Wang, Shantanu Jha, Johannes Hillbrand, Michele Tamagnone, Wei Ting Chen, Alexander Y. Zhu, Lorenzo L. Columbo, Alexey Belyanin, Federico Capasso. Frequency combs induced by phase turbulence. Nature, 2020; 582 (7812): 360 DOI: 10.1038/s41586-020-2386-6

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