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    近日，哈佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院的一支科学团队利用光的湍流制造了一种特殊类型的高精度激光，即激光频率梳，在以前的系统里，这样的激光被认为是无法生成的。这一发现可用于新一代光谱学和传感设备。
     频率梳是一种广泛用于检测和测量不同频率光的工具，具有独特的精度。与传统的单频激光器不同，这种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。
     该团队由Federico Capasso领导，一直致力于令这些设备变得更高效、小巧，用于通讯和便携式传感等应用。2019年，该团队研究出了如何从激光频率梳传输无线信号的方法，从而创造了第一个激光无线电发射器。实验中，研究人员采用半导体量子级联激光器，这种激光器通过把光从一端反射到另一端来产生频率梳。这种反射光产生反向传播的波，这些波相互作用，最后产生不同频率的梳状波。然而，这些设备仍然会发出很多在无线电通信应用中没有用到的光。
    论文的第一作者Marco Piccardo表示，研究的主要问题是如何为激光接收器制造更好的几何形状。
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     频率梳是一种广泛用于检测和测量不同频率光的工具，具有独特的精度。与传统的单频激光器不同，这种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。

     该团队由Federico Capasso领导，一直致力于令这些设备变得更高效、小巧，用于通讯和便携式传感等应用。2019年，该团队研究出了如何从激光频率梳传输无线信号的方法，从而创造了第一个激光无线电发射器。实验中，研究人员采用半导体量子级联激光器，这种激光器通过把光从一端反射到另一端来产生频率梳。这种反射光产生反向传播的波，这些波相互作用，最后产生不同频率的梳状波。然而，这些设备仍然会发出很多在无线电通信应用中没有用到的光。

 论文的第一作者Marco Piccardo表示，研究的主要问题是如何为激光接收器制造更好的几何形状。

               图片来源：哈佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院​

后来，研究人员转而使用环形量子级联激光器，由于其圆形形状，可以产生光损耗非常低的激光。然而，环形激光器在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反向传播的波。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比较。

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。论文合著者Benedikt Schwarz说：“当我们看到这个的时候，我们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。这一成功似乎与当前的激光理论相矛盾。”

 研究人员试图去理解这种现象是如何发生的，他们在试验中最终遇到了湍流。在流体中，当有序的流体流动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。在光线下，这是波动不稳定的形式，其中一个小扰动会变得越来越大，最终支配系统的动力。
         研究人员发现，用于泵送激光的电流的微小波动会导致光波的微小不稳定性，即使在完美的环形激光器中也是如此。之后各个不稳定性会变得越来越大，然后相互作用，就像在湍流中一样。这些相互作用最终就会导致稳定频率梳的产生。
    Piccardo说：“我们不仅改变了激光频率梳的几何形状，而且我们发现了一种全新的系统来制造这些装置，并在此过程中重塑了一个激光的基本定律。”
    在未来，这些器件可能被用作集成光子电路上的电泵微谐振器。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以光的方式抽运，增加了系统的规模和复杂性。但是环形激光频率梳是活跃的，这意味着只需注入电流就能产生光。
这项研究发表在《自然》杂志上。