光學(xué)頻率梳可簡(jiǎn)單理解為頻率和相位穩(wěn)定的鎖模激光器，產(chǎn)生于人們對(duì)更加準(zhǔn)確的時(shí)間基準(zhǔn)和在此基礎(chǔ)上的高精密測(cè)量技術(shù)的追求。

與發(fā)射單個(gè)頻率的常規(guī)激光器不同，通過(guò)對(duì)激光腔長(zhǎng)和內(nèi)部介質(zhì)的色散負(fù)反饋調(diào)節(jié)及激光脈沖的載波和包絡(luò)之間的相對(duì)相位調(diào)節(jié)，可以獲得發(fā)射多個(gè)頻率，且頻率間隔相等的穩(wěn)定梳齒光學(xué)頻率梳（鎖模激光器），如圖1所示。

圖1. 在量子級(jí)聯(lián)激光器中產(chǎn)生光學(xué)頻率梳。（源自：Jared Sisler /哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院）

在環(huán)境監(jiān)測(cè)、化學(xué)傳感、分子光譜校正、阿秒脈沖的產(chǎn)生、光通信、精密測(cè)距、高精度計(jì)量和計(jì)時(shí)等各個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

基于半導(dǎo)體激光器的光學(xué)頻率梳代表性的系統(tǒng)是通過(guò)量子級(jí)聯(lián)激光器和鎖模的垂直腔半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生光學(xué)頻率梳。目前是有希望真正實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)集成化光學(xué)頻率梳的技術(shù)之一，但是如今的芯片級(jí)集成化光學(xué)頻率梳是被動(dòng)的，都需要從外部以光學(xué)方式抽運(yùn)能量，增加了系統(tǒng)的尺寸和復(fù)雜性。且該激光頻率梳會(huì)產(chǎn)生許多在無(wú)線光通信應(yīng)用中無(wú)用的雜散光。這些問(wèn)題都將會(huì)影響激光頻率梳在集成化和光通信等方面的應(yīng)用。

哈佛大學(xué)約翰保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院Federico Capasso教授和Vinton Hayes研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，通過(guò)在環(huán)形量子級(jí)聯(lián)激光器中引入小缺陷，創(chuàng)造了光梳所需的逆?zhèn)鞑ゲ�，產(chǎn)生了光學(xué)損耗非常低的激光頻率梳。研究人員認(rèn)為在環(huán)形量子級(jí)聯(lián)激光器中引入小缺陷（如圖2所示），產(chǎn)生了光波的波動(dòng)不穩(wěn)定性。

圖2. 環(huán)形量子級(jí)聯(lián)激光器缺陷結(jié)構(gòu)電子顯微鏡圖像�？諝饪p作為一個(gè)反射點(diǎn)在波導(dǎo)，誘導(dǎo)反向傳播的波。（源自: Marco Piccardo /哈佛大學(xué)約翰保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院）

在波動(dòng)不穩(wěn)定性中，一個(gè)小擾動(dòng)變得越來(lái)越大并相互作用，就像在湍流（在流體中，當(dāng)一個(gè)有序的流體流動(dòng)破裂成越來(lái)越小的漩渦，這些漩渦相互作用，直到系統(tǒng)最終破裂成混沌時(shí)，就會(huì)發(fā)生湍流。）中一樣。然后，這些相互作用產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率梳（特定類型的高精度激光），如圖3所示。此外，用于抽運(yùn)激光的電流的小波動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致環(huán)形激光器光波的不穩(wěn)定性產(chǎn)生。

圖3. 環(huán)形波導(dǎo)制作的單片半導(dǎo)體激光器的顯微鏡圖像。當(dāng)啟動(dòng)時(shí)，這些激光器中的光表現(xiàn)出湍流流，就像暴風(fēng)云的運(yùn)動(dòng)，這種湍流是產(chǎn)生新激光頻率梳的關(guān)鍵。（源自: Marco Piccardo/哈佛大學(xué)約翰保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院）

研究團(tuán)隊(duì)成員Benedikt Schwarz說(shuō)：“我們不僅改變了激光頻率梳的幾何結(jié)構(gòu)，還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)全新的系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中，我們創(chuàng)造了這些設(shè)備，并在這樣做的過(guò)程中，重塑了激光的基本定律。”

環(huán)形激光頻率梳可以通過(guò)注入電流來(lái)產(chǎn)生自己的光，可以被用作集成光子電路上的電泵微諧振器，解決了光子集成回路中無(wú)源微諧振器與有源頻率梳相互之間的連接障礙，降低了系統(tǒng)的尺寸和復(fù)雜性，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、光通信與便攜式傳感等應(yīng)用中更加高效和緊湊，具有重要的基礎(chǔ)和技術(shù)意義。

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