封面圖：用環(huán)形波導(dǎo)制造的半導(dǎo)體激光器的顯微圖像。

當(dāng)激光器開始工作，光腔中的光表現(xiàn)出湍流，就像暴風(fēng)雨后云的運(yùn)動(dòng)一樣，而這種湍流正是產(chǎn)生新頻率梳的關(guān)鍵。

撰稿 | 劉艷玲

導(dǎo)讀

    無(wú)論是炎熱的夏季長(zhǎng)時(shí)間暴曬后馬路上蒸騰的熱氣，還是天空中的云卷云舒，抑或是熄滅的蠟燭產(chǎn)生的羽狀的煙霧這些都是我們生活中常見的湍流，但你見過(guò)湍流在激光中會(huì)產(chǎn)生什么影響嗎。

近日來(lái)自?shī)W地利（維也納工業(yè)大學(xué)），美國(guó)（哈佛大學(xué)，耶魯大學(xué)）和意大利（都靈理工大學(xué)）等國(guó)際研究人員團(tuán)隊(duì)在頂刊 Nature 上發(fā)表文章，他們利用光中的湍流來(lái)制造一種特定類型的高精度激光——激光頻率梳。

    隨著技術(shù)進(jìn)步光學(xué)頻率梳的應(yīng)用非常廣泛，例如在光譜學(xué)和化學(xué)傳感，任意射頻波形生成，光通信和量子信息等方面。與普通激光只有一個(gè)固定波長(zhǎng)不同，頻率梳是由不同的光頻率組成，這些光頻率以規(guī)則的距離精確排列，類似于梳齒，通常產(chǎn)生這種頻率梳非常困難，而研究人員使用簡(jiǎn)單的圓形量子級(jí)聯(lián)激光器成功產(chǎn)生了這種特殊類型的光，分析證明，在空氣動(dòng)力學(xué)或水波中已知的湍流，是產(chǎn)生這種特殊類型的光的原因。

背景介紹

    經(jīng)過(guò)數(shù)十年的研究，光學(xué)頻率梳一直在快速發(fā)展，并徹底改變了光學(xué)計(jì)量學(xué)，隨著半導(dǎo)體和介電材料處理的發(fā)展，頻率梳發(fā)生器結(jié)構(gòu)更加緊湊。在集成光學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，特別令人感興趣的是兩類發(fā)生器：半導(dǎo)體激光器和無(wú)源微諧振器; 后者泵浦是外部連續(xù)波激光器，其增益源自克爾非線性效應(yīng)，在這兩種情況下，設(shè)備均從單頻運(yùn)轉(zhuǎn)開始。

    為了產(chǎn)生頻率梳，需要在腔中存在能夠在不同頻率下產(chǎn)生模式、耦合模式并鎖定其相位的機(jī)制。在微諧振器中，超過(guò)參數(shù)不穩(wěn)定性閾值時(shí)，外部泵浦會(huì)引發(fā)邊帶，該邊帶會(huì)通過(guò)級(jí)聯(lián)參數(shù)過(guò)程而增長(zhǎng)并擴(kuò)散。這種相干的非線性過(guò)程引起了鎖相頻率梳。在Fabry–Pérot半導(dǎo)體激光器中，多模運(yùn)轉(zhuǎn)是由非均勻增益飽和引發(fā)的，而腔內(nèi)駐波（圖1a）導(dǎo)致增益的空間變化，稱為空間燒孔（SHB）。在色散腔中，SHB導(dǎo)致非等距頻率的模式激增，并且由于增益介質(zhì)本身的非線性效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)相位鎖定。

圖1：Fabry–Pérot腔示意圖、腔內(nèi)駐波以及粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

圖源：Frequency combs induced by phase turbulence（Fig. 1）

   一般認(rèn)為由于沒有明確定義的破壞圓對(duì)稱性的反射點(diǎn)，環(huán)形腔中不會(huì)出現(xiàn)空間燒孔（SHB），但作者證明了，由于在金茨堡-朗道理論（complex Ginzburg–Landau equation：CGLE）中被稱為相位湍流的現(xiàn)象，半導(dǎo)體環(huán)形激光器仍會(huì)經(jīng)歷單模不穩(wěn)定性，并且即使在沒有空間或頻率燒孔的情況下，也會(huì)形成光學(xué)頻率梳。多模輻射和梳狀形成發(fā)生在略高于激光閾值泵浦水平上，這與Risken-Nummedal-Graham-Haken不穩(wěn)定性形成對(duì)比，還促進(jìn)了環(huán)形激光器的多模運(yùn)轉(zhuǎn)，但是非實(shí)際泵浦水平至少比閾值高9倍。

創(chuàng)新研究

3.1

產(chǎn)生環(huán)形頻率梳的可能性

  為了研究激光器中的相位湍流，使用環(huán)形量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL），QCL頻率梳的幾何形狀與Fabry–Pérot腔產(chǎn)生的頻率梳相同（圖1），并服務(wù)于電磁光譜的中紅外和太赫茲區(qū)域，這對(duì)于化學(xué)感應(yīng)至關(guān)重要。并且QCL有以下優(yōu)點(diǎn)：1. 較為寬的調(diào)諧范圍，2. 因?yàn)椴捎秒姳闷智曳浅＞o湊，故具有高的便攜性。

圖2：環(huán)形QCL示意圖圖源：Frequency combs induced by phase turbulence（Fig. 1）

   環(huán)狀QCL可以發(fā)出中紅外光，并在恒定電注入的情況下可以在室溫工作，在注入水平僅略高于激光閾值Jth的情況下，環(huán)形激光器會(huì)經(jīng)歷向多模態(tài)的過(guò)渡（圖3），這與在Fabry-Pérot QCL觀察到的明顯不同。

圖3：左圖Fabry-Pérot QCL，右圖環(huán)形QCL頻率梳的實(shí)驗(yàn)光譜

圖源：Frequency combs induced by phase turbulence（Fig. 1）

   可見環(huán)狀QCL的光譜具有較少的模式，并呈現(xiàn)出鐘形的包絡(luò)。與常規(guī)的Fabry-Pérot激光器不同的是，隨著設(shè)備中電流的增加，QCL激光器可以恢復(fù)到單模工作狀態(tài)（圖4）

圖4：注入電流對(duì)實(shí)驗(yàn)光譜的演變圖源：Frequency combs induced by phase turbulence（Extended Data Fig. 2）

3.2

通過(guò)缺陷設(shè)計(jì)引入湍流

  在流體中，當(dāng)有序的流體流分裂成越來(lái)越小的渦旋時(shí)，就會(huì)發(fā)生湍流，而渦旋會(huì)相互影響，直到系統(tǒng)最終陷入混亂。鑒于此，采取波不穩(wěn)定的形式，其中小的干擾變得越來(lái)越大，并最終支配了系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)。研究人員發(fā)現(xiàn)，即使在理想的環(huán)形激光器中，用于泵浦激光器的電流的微小波動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致光波的不穩(wěn)定。就像在湍流中一樣，這些不穩(wěn)定性不斷增長(zhǎng)并相互作用。這些相互作用隨后導(dǎo)致出現(xiàn)穩(wěn)定的頻率梳。

  而環(huán)形激光器在產(chǎn)生頻率梳時(shí)存在一個(gè)基本問(wèn)題：一個(gè)完整的圓圈傳播的光束只能沿一個(gè)方向（順時(shí)針或逆時(shí)針）傳播，因此不能自然耦合。但是在考慮金茨堡-朗道理論引入的相位湍流后，在經(jīng)歷相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間間隔（大約40萬(wàn)次往返）之后，激光可以到達(dá)頻率梳狀態(tài)，在該狀態(tài)時(shí)強(qiáng)度開始周期性變化，并且每次往返都會(huì)重復(fù)之前的波形。

原文鏈接：《從無(wú)序到有序：光的湍流創(chuàng)造頻率梳》

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