環(huán)形激光器。

空氣縫作為波導(dǎo)中的反射點，誘導(dǎo)了反向傳播的波。

空氣和水都能形成湍流，光也不例外。

《自然》雜志6月17日報道，美國哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）研究人員Federico Capasso等，利用光湍流創(chuàng)建了一種特定類型的高精度激光（頻率梳）。該發(fā)現(xiàn)可用于設(shè)計新一代光譜學(xué)和傳感設(shè)備。

頻率梳被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、化學(xué)傳感、系外行星搜索和光通信等諸多領(lǐng)域。與傳統(tǒng)單頻激光器不同，頻率梳可同步發(fā)射多頻率、均勻周期的高精度激光。Capasso團隊一直致力于頻率梳的研究，希望它能夠變得更加高效和靈巧，以適用于便攜式通訊、傳感設(shè)備。

2019年，Capasso團隊攻克了以激光頻率梳傳輸無線信號的難題，創(chuàng)造出第一臺激光無線電發(fā)射器。研究人員使用形狀類似Kit Kat巧克力棒的半導(dǎo)體量子級聯(lián)激光器，制造了端-端反彈光頻率梳。反彈光產(chǎn)生反向傳播的波，波相互作用產(chǎn)生不同頻率的頻率梳。

然而，這些設(shè)備仍然會發(fā)出很多對無線電通信應(yīng)用無用的光。論文第一作者Marco Piccardo說：“在進行新研究時，我們關(guān)注的主要問題是幾何形狀。”

因此，研究人員將目光轉(zhuǎn)向了環(huán)形量子級聯(lián)激光器。受形狀影響，這種激光器的光損耗非常低。

然而，環(huán)形激光器產(chǎn)生頻率梳時存在一個根本性問題：光只能沿順時針或逆時針方向傳播，無法產(chǎn)生反向傳播的波。為了解決這個問題，研究人員決定在環(huán)狀激光器中引入一個小缺陷。

當(dāng)研究人員進行實驗時，結(jié)果讓他們大吃一驚。有缺陷的圓環(huán)狀激光器竟然產(chǎn)生了頻率梳，這與之前的理論相悖。維也納技術(shù)大學(xué)研究人員Benedikt Schwarz說：“我們在不抱期望的實驗中達到了目的。這似乎與目前的激光理論相矛盾?！?/p>

研究人員希望對此現(xiàn)象進行解釋。最終，“湍流”概念進入了他們的視野——在流體中，有序的流體分裂出越來越小的漩渦，漩渦相互作用并使系統(tǒng)最終陷入混亂時，就會產(chǎn)生湍流。Piccardo等發(fā)現(xiàn)，用于泵送激光的電流的微小波動會導(dǎo)致光波出現(xiàn)微弱的不穩(wěn)定性，即使在“完美”的環(huán)形激光器中也是如此。穩(wěn)定性不斷疊加并相互作用，最終導(dǎo)致穩(wěn)定頻率梳的產(chǎn)生。

Piccardo說：“我們不僅改變了激光頻率梳的幾何形狀，還發(fā)現(xiàn)了一個全新的系統(tǒng)。在這個過程中，我們重塑了激光的基本定律。”

在未來，這類器件有望用于集成光子電路中的電泵微諧振器。目前使用的芯片級微諧振器是被動式的，能量需要從外部光學(xué)泵入，系統(tǒng)規(guī)模較大、復(fù)雜性較高。而環(huán)形激光頻率梳是主動式的，可通過注入電流產(chǎn)生自屬光。此外，它還能提供微諧振器未覆蓋的電磁頻譜區(qū)域的訪問權(quán)限。

Capasso說：“我們向著連接被動式諧振器與主動式頻率梳邁出了第一步。將兩種設(shè)備的優(yōu)勢結(jié)合在一起，對基礎(chǔ)、應(yīng)用研究有重要意義?！?/p>

編譯：雷鑫宇 

期刊來源：《自然》

期刊編號：0028-0836

原文鏈接：https://www.seas.harvard.edu/news/2020/06/order-disorder