哈佛大学约翰·阿·利亚·布伦斯著
保尔森工程和应用科学学院 电子显微镜图像显示缺陷工程的细节
空气缝隙作为波导中的反射点，引起反向传播波
学分:哈佛约翰A
保尔森工程和应用科学学院 我们都经历过湍流的空气和水，但你知道光也可以是湍流的吗？ 由费德里科·卡帕索领导的国际研究小组
华莱士应用物理学教授和哈佛大学电气工程高级研究员温顿·海斯
鲍尔森工程和应用科学学院(SEAS)利用光的湍流创造了一种特殊类型的高精度激光，被称为激光频率梳，在一个以前被认为不能产生这种激光的系统中
这一发现可用于新一代设备，如光谱和传感应用
这项研究发表在《自然》杂志上
频率梳是广泛使用的工具，用于以独特的精度检测和测量不同频率的光
与发射单一频率的传统激光器不同，这些激光器同步发射多个频率，间隔均匀，类似梳子的齿
如今，它们被用于从环境监测和化学传感到寻找太阳系外行星、光通信以及高精度计量和计时的所有领域
卡帕索和他在SEAS的团队一直致力于使这些设备在电信和便携式传感等应用中更加高效和紧凑
2019年，卡帕索和他的团队发现了如何从激光频率梳传输无线信号，创造了第一台激光无线电发射机
研究人员使用半导体量子级联激光器，形状像非常小的凯特棒，通过从一端到另一端反射光来产生频率梳
这种反射光产生反向传播的波，这些波相互作用产生不同频率的梳状波
然而，这些设备仍然会发出大量无线电通信应用中未使用的光
“在这项研究中，我们的主要问题是如何为激光收音机做出更好的几何图形，”SEAS大学前博士后、该论文的第一作者马可·皮卡多说
皮卡多目前是米兰意大利技术学院的研究员
用环形波导制作的单片半导体激光器的显微图像
当打开时，这些激光器中的光显示出湍流，就像暴风雨云的运动一样
这种扰动是产生新频率梳的关键
荣誉:哈佛SEAS 研究人员转向环形量子级联激光器，由于其圆形形状，可以产生光学损耗非常低的激光
然而，环形激光器在产生频率梳时有一个基本问题:在一个完整的圆中传播的光束只能在一个方向上传播，顺时针或逆时针，因此不能产生形成梳所需的反向传播波
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的环进行了比较
但是当研究人员进行实验时，结果出乎所有人的意料
完美的环，之前的物理理论认为不可能产生频率梳，产生了频率梳
“当我们看到这一点时，我们认为这对我们来说很棒，因为这正是我们要寻找的那种光，只是我们没想到会在这个特定的实验中找到它
这一成功似乎与当前的激光理论相矛盾，”维也纳图维恩大学的研究员、该研究的合著者贝内迪克特·施瓦茨说
研究人员试图解释这种现象是如何发生的，最终遇到了湍流
在流体中，当有序的流体流分裂成越来越小的相互作用的旋涡时，湍流就发生了，直到系统最终分裂成混沌
有鉴于此，这表现为波的不稳定性，在这种情况下，一个小扰动会变得越来越大，并最终主导系统的动力学
研究人员发现，即使在完美的环形激光器中，用于泵浦激光器的电流的微小波动也会导致光波的微小不稳定性
这些不稳定性不断增长并相互作用，就像在湍流中一样
这些相互作用导致一个稳定的频率梳出现
皮卡多说:“我们不仅改变了激光频率梳的几何形状，我们还发现了一个全新的系统来创造这些设备，并通过这样做，重塑了激光的基本定律。”
将来，这些器件可以用作集成光子电路上的电泵浦微谐振器
今天的芯片级微型谐振器是无源的，这意味着能量需要从外部光学泵浦，增加了系统的尺寸和复杂性
但是环形激光频率梳是活动的，这意味着它可以通过注入电流来产生自己的光
它还提供了对电磁频谱中未被微型谐振器覆盖的区域的访问
这在一系列应用中是有用的，例如光学光谱和化学传感
卡帕索说:“这是将无源微型谐振器与有源频率梳连接起来的第一个非常重要的步骤。”
“将这两种设备的优势结合起来可能会产生重要的基础和技术影响
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