导读
据美国哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院官 和奥地利维也纳技术大学官 近日 道，来自奥地利、美国、意大利的国际科研团队利用光湍流创造出一种特殊类型的高精度激光器（激光频率梳）。该发现可用于设计新一代光谱学和传感设备。
背景
大多数的激光器只能发射一种颜色的激光，也就是说，激光器发出所有光子的波长相同。
然而，一种被称为“频率梳”的激光器却能发出更复杂的光线。频率梳是一种特殊的激光源，其频谱由一系列离散的等间距频率线组成。在频域上，光学频率梳表现为具有相等频率间隔的光学频率序列。这些频谱线的分布特性如同我们日常生活中使用的梳子，梳齿之间保持着相等的距离。
频率梳是一种以独特的精度检测和测量不同频率光线的工具。不同于传统的单频激光器，这种激光器同步发射多个频率，间隔均匀。如今，频率梳已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。
创新
近日，来自奥地利（维也纳技术大学）、美国（哈佛大学和耶鲁大学）、意大利（意大利理工学院、都灵理工大学）的国际科研团队，在哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）教授费德里科·卡帕索（Federico Capasso）领导下，利用光湍流创造出一种特殊类型的高精度激光器（激光频率梳）。该发现可用于设计新一代光谱学和传感设备。研究成果于近期发表在科学期刊《自然（Nature）》上。
技术
卡帕索团队一直致力于频率梳的研究，希望它能够变得更高效、更紧凑，以适用于通讯与便携式传感设备。2019年，该团队研究出了如何用激光频率梳传输无线信 的方法，创造出了首个激光无线电发射器。
下图所示：该器件使用频率梳激光器来无线发射和调制微波。激光器将不同频率的光线混合到一起生成微波辐射。激光器发出的这些“节拍”让人回忆起西班牙艺术家胡安·米罗（Joan Miro’）的一幅名为“Bleu II”的画（右）。研究人员利用这个现象将一首歌曲无线传输至一个接收器。
实验中，研究人员采用了半导体量子级联激光器（形状就像小巧克力威化饼干“KitKat”），通过将光线从一端反射到另一端来产生频率梳。这种反射光产生交叉传播的波，这些波相互作用以生成内含多个梳齿状频率的波。然而，这些器件仍然会发出许多在无线电通信应用中没用着的光。
后来，研究人员转而使用环形量子级联激光器，由于它的形状是环形的，所以能够生成光学损耗非常低的激光。
然而，环形激光器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交叉传播的波。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对比。
下图所示：电子显微镜图像显示出具有缺陷设计的环的细节。空气狭缝在波导中充当反射点，引发交叉传播的波。
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。
维也纳技术大学的研究员、论文合著者贝内迪克特·施瓦茨（Benedikt Schwarz）表示：“我们看到这个时，觉得这对我们来说很好，因为这正是我们要寻找的光，只是我们没有期望在这个实验中找到它。这一成功似乎违背了当前的激光理论。”
研究人员试图去解释这种现象是如何发生的。最终，他们在试验中偶然发现了湍流。在流体中，当有序的流体分裂成越来越小的漩涡时，就会发生湍流，这些漩涡相互作用，直到系统最终陷入混乱。湍流是一种出现在许多不同领域的现象，在自然界中很常见，例如蜡烛熄灭时那股盘绕上升的烟雾，洗手池排水孔中回旋的水流等。
在光中，它表现为波动不稳定的形式，其中一个小的扰动会愈演愈烈，最终支配系统的动力学。
梵高的后期作品，包括《星夜》在内，具有“湍流”的神韵。
研究人员指出，泵送激光的电流的微小波动，会引起光波轻微的不稳定性，即使在完美的环形激光器中也是如此。那些不稳定性会越变越大，并且相互作用，就像在湍流中一样。然后，那些相互作用最终会导致产生稳定的频率梳。
皮卡多表示：“我们不仅改变了激光频率梳的几何形状，而且找到了一种全新的系统来制造这些装置，并以此重铸了激光的基本定律。”
价值
未来，这些器件可能会被用作集成光子电路上的电气泵浦微谐振器。如今的芯片级微谐振器是无源的，这意味着能量需要从外部进行光泵浦，增加了系统的尺寸以及复杂性。但是环形激光频率梳是有源的，这意味着它只需注入电流就能产生自己的光线。它还可以访问微谐振器未覆盖的电磁频谱区域。这在诸如光谱学和化学感测的一系列应用中可能会起到作用。
关键词
激光器、光子、频率梳、谐振器
参考资料
【1】Marco Piccardo, Benedikt Schwarz, Dmitry Kazakov, Maximilian Beiser, Nikola Opa?ak, 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
【2】
https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news-articles/news/laser-technology-the-turbulence-and-the-comb/
【3】
https://www.seas.harvard.edu/news/2020/06/order-disorder
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